Detección heterodina de dos láseres estables en frecuencia hacia la implantación de un reloj atómico
Los relojes atómicos son dispositivos que permiten alcanzar una definición del segundo con una incertidumbre de más o menos un segundo en 100 millones de años. Debido a esta incertidumbre se desea implementar a futuro un reloj atómico en los laboratorios de Uniandes. El primer elemento necesario par...
- Autores:
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Jiménez Estupiñán, Gabriel David
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2023
- Institución:
- Universidad de los Andes
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Los relojes atómicos son dispositivos que permiten alcanzar una definición del segundo con una incertidumbre de más o menos un segundo en 100 millones de años. Debido a esta incertidumbre se desea implementar a futuro un reloj atómico en los laboratorios de Uniandes. El primer elemento necesario para implementar un reloj atómico son láseres estables en frecuencia. En este proyecto se realizó el análisis de la estabilidad relativa entre dos láseres estables en frecuencia mediante dos técnicas de estabilización, espectroscopia de absorción saturada y espectroscopia de polarización. Ambas técnicas fueron analizadas por la estadística del Allan Variance para comprender su estabilidad relativa dando como resultado que la espectroscopia de polarización da mejores resultados de estabilidad en periodos cortos de tiempo y que la espectroscopia de absorción saturada mejor estabilidad en periodos mayores de tiempo. Adicionalmente, se realizó la detección heterodina de ambos láseres estabilizados para medir el ancho espectral de la luz láser y la estabilidad relativa de la frecuencia que se obtiene por dicha medición. Dando como resultados que el ancho espectral de los láseres están en el orden de los 20 MHz y las fluctuaciones en frecuencia que poseen los láseres son parecidas en periodos distintos de tiempo. Conociendo esta estabilidad, se proponen dos métodos para poder implementar un reloj atómico con los elementos que se poseen en el laboratorio. |
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Ambas técnicas fueron analizadas por la estadística del Allan Variance para comprender su estabilidad relativa dando como resultado que la espectroscopia de polarización da mejores resultados de estabilidad en periodos cortos de tiempo y que la espectroscopia de absorción saturada mejor estabilidad en periodos mayores de tiempo. Adicionalmente, se realizó la detección heterodina de ambos láseres estabilizados para medir el ancho espectral de la luz láser y la estabilidad relativa de la frecuencia que se obtiene por dicha medición. Dando como resultados que el ancho espectral de los láseres están en el orden de los 20 MHz y las fluctuaciones en frecuencia que poseen los láseres son parecidas en periodos distintos de tiempo. Conociendo esta estabilidad, se proponen dos métodos para poder implementar un reloj atómico con los elementos que se poseen en el laboratorio.Atomic clocks are devices that allow achieving a definition of a second with an uncertainty of about one second in 100 million years. Due to this uncertainty, there is a desire to implement an atomic clock in the Uniandes laboratories in the future. The first essential element for implementing an atomic clock is stable frequency lasers. In this project, the analysis of the relative stability between two stable frequency lasers was conducted using two stabilization techniques: saturated absorption spectroscopy and polarization spectroscopy. Both techniques were analyzed using the statistics of Allan Variance to understand their relative stability. The results showed that polarization spectroscopy provides better stability in short periods of time, while saturated absorption spectroscopy exhibits better stability in longer time periods. Additionally, heterodyne detection of both stabilized lasers was performed to measure the spectral width of the laser light and the relative stability of the frequency obtained from this measurement. The results indicated that the spectral width of the lasers is on the order of 20 MHz, and the frequency fluctuations of the lasers are similar in different time periods. Knowing this stability, two methods are proposed for implementing an atomic clock with the available elements in the laboratory.FísicoPregradoMetrologíaInteracción Luz MateriaÓptica Cuántica64 páginasapplication/pdfspaUniversidad de los AndesFísicaFacultad de CienciasDepartamento de Físicahttps://repositorio.uniandes.edu.co/static/pdf/aceptacion_uso_es.pdfinfo:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Detección heterodina de dos láseres estables en frecuencia hacia la implantación de un reloj atómicoTrabajo de grado - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTexthttp://purl.org/redcol/resource_type/TPReloj atómicoEstabilidad en frecuenciaCesioEspectroscopiaLáserHeterodinaFísica1. Bauch, A. Caesium atomic clocks: function, performance and applications. Measurement Science and Technology 14, 1159. https://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/14/8/301 (jul. de 2003).2. Hänsch, T. W. Nobel Lecture: Passion for precision. Rev. Mod. Phys. 78, 1297-1309. https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.78.1297 (4 nov. de 2006).3. Major, F. G. The Quantum Beat Principles and Applications of Atomic Clocks 2nd ed. 2007. eng. isbn: 0-387-69534-6 (Springer New York, New York, NY, 2007).4. Steck, D. A. Cesium D Line Data https://steck.us/alkalidata/cesiumnumbers.pdf. Accessed: 2023-4-16.5. Shang, H. et al. Laser with 10−13 short-term instability for compact optically pumped cesium beam atomic clock. Opt. Express 28, 6868-6880. https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-28-5-6868 (mar. de 2020).6. Lodewyck, J. On a definition of the SI second with a set of optical clock transitions. Metrologia 56, 055009. https://dx.doi.org/10.1088/1681-7575/ab3a82 (sep. de 2019).7. Foot, C. J. Atomic physics (Oxford University Press, 2012).8. Demtröder, W. Atoms, molecules and photons: An introduction to atomic-, molecular- and Quantum physics (Springer-Verlag GmbH Germany, 2018).9. Siegman, A. E. Lasers (Univ. Science Books, 1986).10. Nieto, M. Estabilización en frecuencia de láser centrado en transición atómica de la línea D2 del cesio (2020).11. Demtröder, W. Laser Spectroscopy 2: Experimental Techniques isbn: 9783662446416. https: //books.google.com.co/books?id=13gaBgAAQBAJ (Springer Berlin Heidelberg, 2015).12. Udem, T., Reichert, J., Hänsch, T. W. y Kourogi, M. Absolute optical frequency measurement of the cesium 2 line. Phys. Rev. A 62, 031801. https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.62.031801 (3 ago. de 2000).13. Cohen-Tannoudji, C., Diu, B. y Laloë, F. Quantum Mechanics (Wiley-VCH, 2020).14. Pearman, C. P. et al. Polarization spectroscopy of a closed atomic transition: applications to laser frequency locking. J. Phys. B At. Mol. Opt. Phys. 35, 5141-5151 (dic. de 2002).15. Collett, E. Field Guide to Polarization (SPIE, 2005).16. Bustamante, M. Viabilidad de medir campos magnéticos externos mediante espectroscopía de polarización del átomo de Cesio (2022).17. Yoshikawa, Y., Umeki, T., Mukae, T., Torii, Y. y Kuga, T. Frequency stabilization of a laser diode with use of light-induced birefringence in an atomic vapor. en. Appl. Opt. 42, 6645 (2003).18. Margaret, L. Realisation of a cold mixture of rubidium and caesium (2008).19. Duca, L., Perego, E., Berto, F. y Sias, C. Design of a Littrow-type diode laser with independent control of cavity length and grating rotation. Optics Letters 46, 2840-2843 (2021).20. Grimm, R. y Mlynek, J. The effect of resonant light pressure in saturation spectroscopy. en. Appl. Phys. B 49, 179-189 (sep. de 1989).21. Schmidt, O., Knaak, K.-M.,Wynands, R. y Meschede, D. Cesium saturation spectroscopy revisited: How to reverse peaks and observe narrow resonances. en. Appl. Phys. B 59,167-178 (ago. de 1994).22. Manrique Nieto, N., Rodriguez, C. F. y Nunez Portela, M. Computational model of frequency stabilized laser for Extremum Seeking Controller parameter tuning. en. IEEE Lat. Am. Trans. 20, 451-457 (mar. de 2022).23. IEEE Standard Definitions of Physical Quantities for Fundamental Frequency and Time Metrology—Random Instabilities. IEEE Std Std 1139-2008, c1-35 (2009).24. Riehle, F. Frequency standards (2003).25. Brandt, A. Noise and vibration analysis 2.a ed. en (John Wiley & Sons, Nashville, TN, ago. de 2011).26. Howe, D. A. y Allan, D. W. https://tf.nist.gov/phase/Properties/main.htm.27. Beenakker, C. y Schönenberger, C. Quantum Shot Noise. Physics Today 56. _eprint: https://pubs.aip.org/physicstoday/article-pdf/56/5/37/16723974/37_1_online.pdf, 37-42. issn: 0031-9228. https://doi.org/10.1063/1.1583532 (mayo de 2003).28. Bachor, H. y Ralph, T. A Guide to Experiments in Quantum Optics isbn: 978-3-527-41193-1. https://books.google.com.co/books?id=RwCfDwAAQBAJ (Wiley, 2019).29. French, A. P. Vibrations and Waves (CRC Press, London, England, dic. de 2017).30. McGuyer, B. H. Atomic physics with vapor-cell clocks Tesis doct. (Princeton University, 2012).31. Velásquez, A. Coupling the spatial and polarization degrees of freedom of light - applications in measurement theory and open quantum systems (Uniandes, 2014).202012419Publicationhttps://scholar.google.es/citations?user=znFnm4wAAAAJvirtual::62-1https://scholar.google.es/citations?user=jitNa1QAAAAJvirtual::63-10000-0002-7488-7447virtual::62-1https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001350214virtual::62-1https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000008370virtual::63-1990da92e-a2b5-4173-a3f2-32756584d30avirtual::62-1990da92e-a2b5-4173-a3f2-32756584d30avirtual::62-1279f6f35-f4cc-429c-8e15-3e6dc77d8289virtual::63-1279f6f35-f4cc-429c-8e15-3e6dc77d8289virtual::63-1LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82535https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/1cb7608e-ff46-4aa0-ac33-381c48b513d6/downloadae9e573a68e7f92501b6913cc846c39fMD51ORIGINALautorizacion tesis Gabriel (2).pdfautorizacion tesis Gabriel 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