Precision Metrology Using Coherent Transient Effects and Cold Atom Interferometry Based On Homebuilt, Auto-locked Laser Systems

使用基于自制自动锁定激光系统的相干瞬态效应和冷原子干涉测量的精密计量

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2020-06114
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.48万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2023-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The invention of the laser has transformed our understanding of light-matter interactions, leading to revolutionary advances in fundamental science, and resulting in far-reaching technological breakthroughs. The applicant's group has developed a new class of low cost, homebuilt, vacuum-sealed, auto-locking laser systems (ALS) that can be frequency stabilized with respect to atomic, molecular, and temperature tunable solid-state frequency markers without human intervention. ALS technology has enabled the development of high power pulsed laser systems, control systems for opto-mechanical feedback, techniques for manipulation of laser intensity, frequency, and phase, and high-speed data acquisition systems. The deployment of ALS has transformed the applicant's research program and led to a series of rapidly evolving precision measurements relevant to atomic physics and industrial metrology. The overriding theme of this proposal is to realize applications of ALS by utilizing distinctive coherent transient techniques developed by the applicant in the following key areas: 1) Since ALS have outperformed widely established commercial laser systems that have been used for generations, they will be miniaturized so that portable units can be integrated into commercial gravimeters that are used for the non-invasive exploration of oil and natural gas, seismic monitoring of environmentally sensitive areas designated for resource extraction, and tidal forecasting. 2) ALS will be line narrowed by locking to external cavities so that they are suitable for state of the art, atom interferometric measurements of gravity using laser-cooled atoms. Such an ultracold atom sensor will used to certify industrial gravimeters that currently lack reliable means of calibration. 3) The phase noise of ALS will be characterized so that they can realize the most accurate measurements of atomic lifetimes using a particularly suitable and overlooked coherent transient technique. Such measurements will test theoretical calculations of atomic structure required to interpret parity non-conservation experiments that probe the standard model of physics. 4) Pulsed laser systems based on ALS will be used to develop, compare, and improve time domain magnetometers that can realize the most sensitive measurements of magnetic fields, and for achieving the most accurate measurements of diffusion coefficients that are required to understand the performance of magnetometers. Portable pulsed laser systems will be integrated with magnetometers used in airborne surveys for the detection of metal and mineral deposits, and used to develop versatile lidar systems that can operate over extended spectral ranges for environmental monitoring of atmospheric pollutants and trace gases. 5) Free space optical tweezers experiments that track kinematics of trapped particles on fast time scales will be developed for the rapid characterization and accurate mass determinations of contaminants and pathogens.
激光的发明改变了我们对光与物质相互作用的理解,带来了基础科学的革命性进步,并带来了影响深远的技术突破。申请人的团队开发了一种新型低成本、自制、真空密封、自动锁定激光系统(ALS),该系统可以在无需人工干预的情况下对原子、分子和温度可调谐固态频率标记进行频率稳定。 ALS 技术促进了高功率脉冲激光系统、光机反馈控制系统、激光强度、频率和相位操纵技术以及高速数据采集系统的开发。 ALS 的部署改变了申请人的研究计划,并导致了一系列与原子物理和工业计量相关的快速发展的精密测量。该提案的首要主题是通过利用申请人在以下关键领域开发的独特相干瞬态技术来实现 ALS 的应用: 1)由于 ALS 的性能优于已经使用了几代的广泛建立的商业激光系统,因此它们将被小型化这样便携式装置就可以集成到商用重力仪中,用于石油和天然气的非侵入式勘探、资源开采环境敏感区域的地震监测以及潮汐预报。 2) ALS 将通过锁定外部空腔来收窄谱线,使其适合使用激光冷却原子进行最先进的重力原子干涉测量。这种超冷原子传感器将用于验证目前缺乏可靠校准手段的工业重力计。 3) ALS 的相位噪声将被表征,以便他们可以使用特别合适且被忽视的相干瞬态技术实现原子寿命的最准确测量。此类测量将测试原子结构的理论计算,以解释探索物理学标准模型的宇称非守恒实验。 4) 基于ALS的脉冲激光系统将用于开发、比较和改进时域磁力计,以实现最灵敏的磁场测量,并实现最准确的扩散系数测量,以了解磁力计的性能磁力计。便携式脉冲激光系统将与用于机载勘测的磁力计集成,以检测金属和矿藏,并用于开发多功能激光雷达系统,该系统可以在扩展的光谱范围内运行,用于大气污染物和微量气体的环境监测。 5)将开发在快速时间尺度上跟踪被捕获粒子运动学的自由空间光镊实验,以实现污染物和病原体的快速表征和精确质量测定。

项目成果

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    RGPIN-2020-06114
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 2.48万
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    $ 2.48万
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    RGPIN-2014-04063
  • 财政年份:
    2015
  • 资助金额:
    $ 2.48万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
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    RGPIN-2014-04063
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    2014
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