High-power VECSEL with fast frequency actuation

Abstract

This thesis is part of the PASQuanS2 EU project. The project aims to invent a reliable large-scale quantum simulator, focus on the end-user experience, and discover new applications for quantum simulators. Quantum simulators are artificial many-particle quantum systems whose properties can be controlled and studied. Quantum particles exhibit two unique phenomena: superposition and entanglement, which cannot be explained by classical physics. Therefore, the idea of studying a quantum system with another quantum system is attractive. Nowadays, quantum simulation can be constructed with several architectures, such as atom-, ion-, or superconducting circuit-based platforms and they have applications in the fields of, for example, quantum chemistry and material sciences. However, so far, all quantum simulator platforms exhibit two major challenges: upscaling and fidelity. To tackle those difficulties, reliable and scalable tools for controlling quantum systems are required. Thus, the purpose of this work is to develop a high-power laser with fast frequency modulation properties for controlling Rydberg atoms in a Rydberg atom-based quantum simulator.

Lasers working in the field of quantum technology should exhibit specific characteristics, such as low-noise, single-frequency operation, stable-frequency, and high output power. Vertical External Cavity Surface-Emitting Lasers (VECSELs) provide a promising architecture for designing such lasers. Thus, in this thesis, a VECSEL platform was optimized for quantum technology applications. However, VECSELs, like every laser source as well, have to be frequency-locked to a reference frequency to compensate frequency fluctuations and obtain frequency-stable operation. Frequency locking can be established through a feedback loop by controlling the frequency actuators in the cavity. Thus, reliable frequency locking requires frequency actuators with wide modulation bands and efficient modulation depth.

In this work, a high-power single-frequency laser at a specific wavelength was built and its frequency modulation properties were studied and enhanced. In the laser cavity, a piezoelectric actuator and an electro-optic modulator were employed to compensate frequency fluctuations and their modulation properties were optimized. The characterization results verified the high-power and low-noise operation of the constructed laser as well as the value of combining two frequency actuators to compensate frequency fluctuations efficiently.

Tämä työ on osa PASQuanS2 EU-projektia. PASQuanS2-projekti pyrkii kehittämään luotettavan suur-kvanttisimulaattorin, parantamaan kvanttisimulaattoreiden loppukäyttäjien kokemuksia sekä löytämään uusia sovelluksia kvanttisimulaattoreille. Kvanttisimulaattorit ovat keinotekoisia usean hiukkasen kvanttisysteemejä, joiden ominaisuuksia voidaan kontrolloida ja tutkia. Kvanttihiukkasilla on kaksi ainutlaatuista ominaisuutta: superpositio ja lomittuminen, joita ei voida selittää tai mallintaa klassisen fysiikan avulla. Siksi kvantti-ilmiöitä on helpompi tutkia toisten kvanttisysteemien avulla. Nykyään kvanttisimulaattorit voivat koostua esimerkiksi atomeista, ioneista tai suprajohtavista piireistä, ja niille löytyy käyttökohteita esimerkiksi kvanttikemiassa ja materiaalitieteissä. Kuitenkin riippumatta kvanttisimulaattorialustasta simulaattorin koon skaalaaminen ja tarkkuuden parantaminen ovat osoittautuneet haasteellisiksi. Jotta nuo ongelmat voidaan ratkaista, kvanttisimulaattoreissa käytettävien työkalujen täytyy aiheuttaa mahdollisimman vähän häiriöitä ja epätarkkuutta systeemiin. Siksi tämän työn tarkoituksena on kehittää korkeatehoinen laser kontrolloimaan Rydberg-atomeita niistä rakentuvassa kvanttisimulaattorissa.

Kvanttiteknologiassa lasereilta vaaditaan tarkkoja ominaisuuksia, kuten matalaa kohinatasoa, yksitaajuista toimintaa, stabiilia taajuutta ja korkeaa tehoa. Vertikaalisesti emittoivat ulkoisen kaviteetin puolijohdelaserit (VECSEL:t) tarjoavat lupaavan alustan kvanttiteknologian lasereille. Siksi tämä työ keskittyy VECSEL:n optimointiin kvanttiteknologian sovelluksia varten. Kuitenkin VECSELit, niin kuin kaikki muutkin laserit, täytyy taajuuslukita, jotta laserin luontainen taajuusheilahtelu saadaan kompensoitua ja jotta taajuus saadaan pysymään tarpeeksi stabiilina herkkiä sovelluksia varten. Laserin taajuuslukitsemiseksi kaviteetissa täytyy olla taajuussäätimiä, joilla on mahdollisimman hyvät ominaisuudet taajuuden vakauttamiseen.

Tässä työssä rakennettiin korkeatehoinen ja yksitaajuinen laser kohdeaallonpituudessa. Pietsosähköinen taajuussäädin ja elektro-optinen modulaattori toimivat laserin taajuuden vaihteluita kompensoivina komponenteina. Molempien komponenttien taajuuden modulointiominaisuuksien optimointi oli tärkeää. Laserin karakterisointitulokset varmistivat, että laser toimii korkeilla tehoilla ja pysyy samalla yksitaajuisena ja matalahäiriöisenä. Samalla karakterisointitulokset näyttivät, että on tärkeää yhdistää kaksi taajuussäädintä tehokkaan taajuuskorjaamisen takaamiseksi.