Misure accurate di frequenze laser con pettine ottico

The definition of the Second in the International System of Units is now realized by atomic clocks based on a specific transition of the cesium atom in the microwave domain. The advent of clocks based on optical transitions, capable of achieving a relative uncertainty of the order of 10^(-18) (two orders of magnitude lower than the current one), has stimulated the scientific community to discuss the need for a new definition of the second. Various metrological institutes are working to improve the functioning of these clocks; among these, the National Institute of Metrological Research (INRIM) has developed two optical clocks using strontium and ytterbium atoms. Crucial for the redefinition is demonstrating the level of accuracy achievable by the new candidates. This process requires comparing cesium standards with the new optical standards, as well as comparing optical clocks made by different institutes to verify their consistency. Since atomic clocks are not transportable, the optical fiber network is utilized to perform remote comparisons. For this purpose, the frequency of a laser with a wavelength compatible with fiber transmission (1542.14 nm) is measured relative to the optical clock in the originating laboratory. The laser is then transmitted via fiber, and its frequency is measured relative to the clock in the receiving laboratory, enabling an indirect comparison between the two. To accurately measure optical frequencies, a frequency comb is used, which is a laser pulsed with known and controllable frequency modes with high accuracy. In the first part of my thesis, I constructed optical and electronic systems to cancel out frequency noise introduced by the distribution of laser signals in optical fiber among the different rooms at INRIM involved in these measurements (optical clock, frequency comb, transmission to other laboratories). For this purpose, I developed two sets of fiber distribution systems (one for characterizing the system at 1542 nm and one for the system of the ytterbium atomic clock laser at 1156 nm) and an optical bench for detecting the beat signal between the optical beams exiting the fibers. Frequency fluctuations of the two laser beams are reflected in similar fluctuations in the beat note. Through spectral analysis and time domain analysis of the beat signal, I quantified the impact of this noise. Subsequently, I refined the cancellation systems to reduce the corresponding uncertainty below the required significance level (less than 10^(-18)), through a control circuit that stabilizes the phase of the transferred optical signals. In the second part, I constructed and characterized measurement chains using optical frequency combs for lasers at 1542 nm and 1156 nm. This involved setting up an optical bench to detect the beat frequency of each of the two lasers with the comb and their simultaneous measurements. By performing independent and simultaneous measurements with two different optical frequency combs, I verified that the measurements of the two corresponded at an accuracy level of 10^(-18), thereby reducing the sources of noise responsible for any discrepancies. This activity validates the entire process of measuring optical frequencies at INRIM, which is a fundamental requirement for participation in international comparisons of optical fiber clocks.

La definizione del Secondo nel Sistema Internazionale delle misure è oggi realizzata da orologi atomici basati su una specifica transizione dell’atomo di cesio nel dominio delle microonde. L’avvento di orologi basati su transizioni ottiche, in grado di raggiungere incertezza relativa dell’ordine di 10^(-18) (due ordini di grandezza inferiore rispetto a quella attuale), ha stimolato la comunità scientifica a discutere la necessità di una nuova definizione del secondo. Vari istituti metrologici si stanno occupando di perfezionare il funzionamento di questi orologi; fra questi l’Istituto Nazione di Ricerca Metrologica (INRIM) ha realizzato due orologi ottici ad atomi di stronzio e itterbio. Fondamentale ai fini della ridefinizione è dimostrare il grado di accuratezza raggiungibile dai nuovi candidati. Questo processo richiede il confronto tra i campioni al cesio e i nuovi campioni ottici, nonché il confronto tra orologi ottici realizzati da istituti diversi per verificarne la consistenza. Essendo gli orologi atomici non trasportabili, si sfrutta la rete di fibre ottiche per effettuare dei confronti a distanza. A tale scopo, la frequenza di un laser con lunghezza d’onda compatibile con la trasmissione in fibra (1542.14 nm) è misurata rispetto all’orologio ottico nel laboratorio di partenza. Il laser è poi trasmesso in fibra e la sua frequenza è misurata rispetto all’orologio del laboratorio di arrivo, consentendo un confronto indiretto fra i due. Per misurare accuratamente le frequenze ottiche si utilizza un pettine di frequenza, un laser impulsato con modi di frequenza nota e controllabile con alta accuratezza. Nella prima parte della mia tesi ho realizzato dei sistemi ottici ed elettronici per la cancellazione del rumore di frequenza introdotto dalla distribuzione in fibra ottica dei segnali laser fra i diversi locali dell’INRIM coinvolti in queste misure (orologio ottico, pettine di frequenze, trasmissione verso altri laboratori). A tale scopo, ho realizzato due coppie di sistemi di distribuzione in fibra (una per caratterizzare il sistema a 1542 nm e una per il sistema del laser dell’orologio ottico ad atomi di itterbio a 1156 nm) e un banco ottico per la rivelazione del segnale di battimento fra i fasci ottici in uscita dalle fibre. Le fluttuazioni di frequenza dei due fasci laser si riflettono su analoghe fluttuazioni della nota di battimento. Mediante analisi spettrale e nel dominio del tempo del segnale di battimento, ho quantificato l’impatto di questo rumore. Successivamente, ho messo a punto i sistemi di cancellazione per ridurre l’incertezza corrispondente sotto al livello di significatività richiesto (minore di 10^(-18) ), attraverso un circuito di controllo che stabilizza la fase dei segnali ottici trasferiti. Nella seconda parte ho realizzato e caratterizzato le catene di misura mediante pettine ottico dei laser a 1542 nm e 1156 nm. Ciò ha comportato l’allestimento di un banco ottico per rivelare la frequenza di battimento di ciascuno dei due laser con il pettine e la loro. Effettuando misure indipendenti e simultanee con due pettini ottici diversi ho verificato che le misure dei due corrispondessero ad un livello di accuratezza di 10^(-18) , andando a ridurre le sorgenti di rumore responsabili di eventuali discrepanze. Questa attività valida l’intero processo di misura delle frequenze ottiche all’INRIM, che è un requisito fondamentale per la partecipazione ai confronti internazionali di orologi mediante fibra ottica.