Esperimenti

Oscillatore parametrico ottico nel medio infrarosso

Gli oscillatori parametrici ottici (OPO) sono sorgenti di radiazione coerente con caratteristiche peculiari per una vasta gamma di applicazioni nella spettroscopia ad alta risoluzione, metrologia di frequenza, e fisica fondamentale. Abbiamo sviluppato un OPO a singola risonanza con emissione continua nell’intervallo tra 2.6 e 4.2 micron (“idler”), una regione spettrale di crescente interesse per misure accurate e test su modelli teorici fondamentali. L’OPO è basato su un cristallo di MgO:LiNbO<sub>3</sub> collocato in una cavità ottica ad onda viaggiante (Fig. 1) risonante per il “signal” (1.4-1.8 micron) e viene pompato a 1064 nm con potenze fino a 10 W: alla massima potenza di pompa l’OPO emette circa 1 W sull’intero intervallo di accordabilità.
Nelle applicazioni di spettroscopia ad alta risoluzione la purezza spettrale della sorgente è di fondamentale importanza, quindi abbiamo sviluppato diversi metodi per stabilizzare la frequenza dell’idler e ridurne la larghezza di riga. In un OPO a singola risonanza le caratteristiche spettrali dell’idler dipendono sia dalle fluttuazioni in frequenza della pompa, che da quelle del signal, a loro volta scorrelate in larga misura. Abbiamo quindi realizzato un primo schema di stabilizzazione in cui l’OPO viene pompato tramite una sorgente laser in fibra drogata itterbio, che emette a 1064 nm, amplificata fino a 10 W; la frequenze della radiazione di pompa e quella del signal sono state agganciate in fase ad un pettine di frequenze ottiche riferito alla standard primario. In questa configurazione abbiamo osservato profili sub-Doppler di diverse transizioni rovibrationali del CH<sub>3</sub>I,risolvendone la struttura iperfine (Fig. 2) e determinando le frequenze assolute delle componenti del multipletto con una incertezza di 50 kHz. Abbiamo inoltre stimato un limite superiore per la larghezza di riga dell’idler pari a 200 kHz e una stabilità a lungo termine del 3 × 10<sup>-12</sup> τ<sup>-1/2</sup> tra 1 e 200 s.
L’attività in corso è focalizzata su un ulteriore miglioramento delle caratteristiche spettrali della sorgente. Il laser di pompa è stato sostituito da un laser Nd:YAG, la cui riga è stabilizzata al di sotto del kHz (su tempi del ms) rispetto ad una cavità Fabry-Perot ultra-stabile. Abbiamo quindi utilizzato un pettine di frequenze ottiche come oscillatore di trasferimento tra la radiazione laser di pompa e la radiazione del signal risonante all’interno della cavità OPO: in questo modo le caratteristiche spettrali del laser di pompa vengono trasferite al signal, indipendentemente dalle fluttuazioni tecniche del pettine di frequenze. A loro volta, le fluttuazioni di frequenza della radiazione di idler sono ridotte allo stesso ordine di grandezza di quelle del laser di pompa. Il rumore residuo in frequenza del laser di pompa è stato misurato rispetto ad una cavità Fabry-Perot di riferimento: dalla densità spettrale di potenza abbiamo stimato una riga al di sotto del kHz, su tempi del ms. Il rumore residuo di frequenza del signal è stato stimato in maniera simile, usando una seconda cavità di riferimento: per tempi più brevi del 1 ms, la larghezza di riga del signal è al di sotto del kHz. In tali condizioni la riga dell’idler nel medio infrarosso risulta anch’essa al di sotto del kHz.