izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/10.32446/0368-1025it.2025-1-29-34izmertech-2295Research ArticleК 70-ЛЕТИЮ ВНИИФТРИON THE 70TH ANNIVERSARY OF VNIIFTRIЛазерно-оптическая система атомного интерферометра на холодных атомах рубидияLaser-optical system of atomic interferometer based on cold rubidium atoms.ОсипенкоГ. В.OsipenkoG. V.

Георгий Владимирович Осипенко

Georgii V. Osipenko

osipenko.9494@mail.ruАлейниковМ. С.AleynikovM. S.

Михаил Сергеевич Алейников

Mikhail S. Aleynikov

alejnikov@vniiftri.ruПашковаЮ. В.PashkovaJu. V.

Юлия Вадимовна Пашкова

Julia V. Pashkova

pashkova@vniiftri.ruhttps://orcid.org/0009-0001-9288-3749ДонченкоС. И.DonchenkoS. I.

Сергей Иванович Донченко

 

Sergey I. Donchenko

director@vniiftri.ruВсероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измеренийРоссияRussian Metrological Institute of Technical Physics and Radio EngineeringRussian Federation2025030420257412934Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20252025ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2295

Представлены результаты разработки лазерно-оптической системы для атомного интерферометра на основе атомов рубидия, охлаждённых до субдоплеровских температур. Создаваемый с использованием квантовых технологий атомный интерферометр на холодных атомах рубидия предназначен для прецизионного измерения абсолютного значения ускорения свободного падения. Лазерно-оптическая система – ключевая часть атомного интерферометра – должна обеспечивать процессы охлаждения, перекачки и детектирования атомов, которые взаимодействуют с оптическим излучением. В систему входят частотно-удвоенные волоконные лазеры и широкополосные волоконные электрооптические модуляторы. Выбор волоконных лазеров обусловлен их высокой эффективностью, узкой спектральной линией, низким уровнем фазовых шумов, а также простотой в эксплуатации и надёжностью. Частоты лазеров стабилизированы методом спектроскопии с переносом модуляции и методом привязки частоты лазера по оптической фазе. Описаны экспериментальные схемы, позволяющие получать мультихроматическое излучение и минимизировать спонтанное рассеяние за счёт отстройки частоты лазера от возбуждённых уровней. Конструкция лазерно-оптической системы обеспечивает полный набор оптических частот, необходимых для рамановской спектроскопии. Исследованы амплитуды флуктуаций частот охлаждающего и перекачивающего лазеров. Показано, что реализованная лазерно-оптическая система может обеспечить непрерывную работу атомного интерферометра на основе облаков холодных атомов рубидия. Оценён фундаментальный предел чувствительности атомного интерферометра.

The paper presents the results of the development of a laser-optical system for atomic interferometer based on rubidium atoms cooled to sub-Doppler temperatures. The laser-optical scheme was created to ensure the processes of cooling, pumping, and detecting atoms involved in interferometric measurements of free-fall acceleration. The system utilizes frequency doubled fiber lasers and broadband fiber electro-optical modulators. The choice of fiber lasers is driven by their high efficiency, narrow spectral line, low phase noise levels, as well as ease of operation and reliability. Laser frequency stabilization was carried out using modulation transfer spectroscopy and optical phase-locking methods. Experimental setups were described that allow the generation of multichromatic radiation and minimize spontaneous scattering by detuning from excited levels. It was noted that the design provides a full set of optical frequencies necessary for Raman spectroscopy. The amplitudes of frequency fluctuations of the cooling and pumping lasers were studied. It was shown that the implemented laser-optical system can ensure continuous operation of an atomic interferometer based on clouds of cold rubidium atoms, and an assessment of the fundamental sensitivity limit was conducted.

атомный интерферометрлазерное охлаждениерамановская спектроскопияоблако холодных атомовсубдоплеровское охлаждениеatomic interferometerlaser coolingRaman spectroscopycloud of cold atomssub-Doppler coolingReferencesFang J. et al. Classical and Atomic Gravimetry. Remote Sensing, 16(14), 2634 (2024). https://doi.org/10.3390/rs16142634Fang J. et al. Classical and Atomic Gravimetry. Remote Sensing, 16(14), 2634 (2024). https://doi.org/10.3390/rs16142634Виноградов В. А., Карпов К. А., Турлапов А. В. Квантовые гравиметры на ультрахолодных атомах. Альманах современной метрологии, (4(24)), 3 64–376 (2020). https://www.elibrary.ru/bhaegrVinogradov V. A., Karpov K. A., Turlapov A. V. Quantum gravimeters based on ultracold atoms. Al’manac of modern metrology, (4(24)), 364–376 (2020). (In Russ.) https://www.elibrary.ru/bhaegrАлейников М. С., Барышев В. Н., Блинов И. Ю., Купалов Д. С., Осипенко Г. В. Перспективы разработки чувствительного атомного интерферометра на холодных атомах рубидия. Измерительная техника, (7), 9–12 (2020). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-7-9-12Aleynikov M. S., Baryshev V. N., Blinov I. Y., Kupalov D. S., Osipenko G. V. Prospects of high sensitivity atomic interferometer development for current gravimetry. Measurement Techniques, 63(7), 520–523 (2020). https://doi.org/10.1007/s11018-020-01818-9Kasevich M., Chu S. Atomic interferometry using stimulated Raman transitions. Physical Review Letters, 67(2), 181–184 (1991). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.67.181Kasevich M., Chu S. Atomic interferometry using stimulated Raman transitions. Physical Review Letters, 67(2), 181–184 (1991). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.67.181McCarron D. J., King S. A., Cornish S. L. Modulation transfer spectroscopy in atomic rubidium. Measurement Science and Technology, 19(10), 105601 (2008). https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/10/105601McCarron D. J., King S. A., Cornish S. L. Modulation transfer spectroscopy in atomic rubidium. Measurement Science and Technology, 19(10), 105601 (2008). https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/10/105601Stace T., Luiten A. N., Kovacich R. P. Laser offset-frequency locking using a frequency-to-voltage converter. Measurement Science and Technology, 9(9), 1635 (1998). https://doi.org/10.1088/0957-0233/9/9/038Stace T., Luiten A. N., Kovacich R. P. Laser offset-frequency locking using a frequency-to-voltage converter. Measurement Science and Technology, 9(9), 1635 (1998). https://doi.org/10.1088/0957-0233/9/9/038Осипенко Г. В., Алейников М. С., Суховерская А. Г. Стабилизация частоты лазера с отстройкой от атомного перехода методом спектроскопии с переносом модуляции. Измерительная техника, 73(1), 4–7 (2023). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-1-4-7Osipenko G. V., Aleynikov M. S., Sukhoverskaya A. G. Offset laser frequency stabilization using modulation transfer spectroscopy. Measurement Techniques, 66(1), 1–5 (2023). https://doi.org/10.1007/s11018-023-02182-0Steck Daniel A. Rubidium 87 D Line Data, available at: http://steck.us/alkalidata (revision 2.3.3, 28 May 2024).Steck Daniel A. Rubidium 87 D Line Data, available at: http://steck.us/alkalidata (revision 2.3.3, 28 May 2024).Louchet-Chauvet A. et al. The influence of transverse motion within an atomic gravimeter. New Journal of Physics, 13(6), 065025 (2011). https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/6/065025Louchet-Chauvet A. et al. The influence of transverse motion within an atomic gravimeter. New Journal of Physics, 13(6), 065025 (2011). https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/6/065025Le Gouët J. et al. Limits to the sensitivity of a low noise compact atomic gravimeter. Applied Physics B, 92, 133–144 (2008). https://doi.org/10.1007/s00340-008-3088-1Le Gouët J. et al. Limits to the sensitivity of a low noise compact atomic gravimeter. Applied Physics B, 92, 133–144 (2008). https://doi.org/10.1007/s00340-008-3088-1

The authors declare that there are no conflicts of interest present.