Laserové etalony optických frekvencí
Etalony optických frekvencí (vlnových délek) jsou vysoce koherentní lasery, které generují na svém výstupu laserové světlo o přesně stanovené optické frekvenci (vlnové délce). Jedná se o frekvence v řádu stovek THz, čemuž obvykle odpovídá vlnová délka 500 – 1500 nm. Tyto lasery slouží jako primární zdroje pro realizaci mezinárodní definice jednotky délky a jsou využívány metrologickými institucemi jako zdroj světla v odměřovacích laserových interferometrech. Pravidelné srovnání podnikových mechanických normálů délky, koncových měrek, s těmito systémy zajistí navázání metrologického systému podniku na primární definici jednotky délky. Přesnost a stabilita těchto laserových etalonů pak ovlivňuje celkovou měřicí schopnost sekundárních měřidel v podnikové metrologii. V ÚPT je této oblasti věnována dlouhodobě mimořádná pozornost a byla zde vyvinuta technologie výroby několika typů těchto laserových etalonů optických frekvencí.
Příklady realizovaných systémů:
- He-Ne stabilizovaný laser na vlnové délce 633 nm. He-Ne laser se stabilizací optické frekvence, sestrojený v ÚPT, patří mezi základní etalony na vlnové délce 633 nm a je v současnosti používán jako národní etalon délky. Optická frekvence He-Ne laseru je stabilizovaná prostřednictvím saturované absorpce v parách jodu technikou derivační spektroskopie. Jedná se o finální výrobek ÚPT – kompaktní systém vybavený elektronikou podporující počítačové řízení. Relativní stabilita tohoto laseru je pro integrační čas 1 s na úrovni 10–11. Je využíván ke kalibraci laserů určených pro interferometrické systémy.
- Nd:YAG stabilizovaný laser na vlnové délce 532 nm a 1064 nm, využívající absorpci v parách jodu. Páry molekulárního jódu jsou nejrozšířenějším absorpčním prostředím pro stabilizaci laserů ve viditelné části spektra. Nabízejí hustou síť úzkých hyperjemných přechodů s nejlepším poměrem signál/šum v okolí vlnové délky 500 nm. Jodem stabilizované Nd:YAG lasery (Nd:YAG–I2) dosahují stability optické frekvence na úrovni 10–14. ÚPT disponuje experimentálním systémem na bázi Nd:YAG laseru, který generuje stabilní optické frekvence na vlnových délkách 532 nm a 1064 nm.
- Stabilizovaný systém na vlnové délce 1315 nm. Pro potřeby centra „Prague Asterix Laser System“ (PALS) jsme navrhli a realizovali stabilizovaný laser na bázi úzkospektrální DBR laserové diody, který funguje jako „Master oscillator“ na počátku zesilujícího řetězce. Jedná se o laser s optovláknovým výstupem, jehož frekvence je stabilizována pomocí lineární absorpce v parách disociovaného jodu. Detekce a řízení je plně autonomní a přístroj je ovládán několika signálovými procesory. Laser pracuje na vlnové délce 1315 nm, tedy v telekomunikačním pásmu, a může sloužit i jako etalon na této vlnové délce.
- Normálový DFB laser na vlnové délce 1540 nm pro optické telekomunikace. Na objednávku Českého telekomu (v současnosti Telefonica) byl vyvinut stabilizovaný laser sloužící jako etalon optické frekvence v blízkém infračerveném (telekomunikačním) pásmu 1540 nm. Jádrem je DFB laserová dioda s vysokou koherencí. Systém pracuje se stabilizací frekvence prostřednictvím spektroskopie v acetylenu 13C2H2 a umožňuje přeladění na některou ze spektrálních čar v rozsahu spektra až 200 GHz . Systém lze použít např. pro kalibrace vlnoměrů a spektrálních analyzátorů, které slouží ke správnému nastavení přenosových kanálů pro optické komunikace s multiplexem vlnových délek, tzv. D-WDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).
- Femtosekundový syntezátor optických frekvencí. V laboratořích ÚPT provozujeme dva systémy syntézy optických kmitočtů na bázi femtosekundových pulzních laserů pracujících ve viditelné a v infračervené spektrální oblasti. Optický syntezátor umožňuje přenos relativní stability kmitočtů mezi radiofrekvenční a optickou částí spektra a slouží jako reference (etalony) optických frekvencí pro metrologii, interferometrii a spektroskopii. Systémy ÚPT budou v brzké době navazovat na referenci H2 maseru se stabilitou na úrovni 10–15.
