Abstract

We demonstrate optical clockwork without the need for carrier-envelope phase control by use of sum-frequency generation between a continuous-wave optical parametric oscillator at 3.39 µm and a femtosecond mode-locked Ti:sapphire laser with two strong spectral peaks at 834 and 670 nm, a spectral difference matched by the 3.39µm radiation.

© 2004 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. J. Ye, L. S. Ma, and J. L. Hall, Phys. Rev. Lett. 87, 270801 (2001).
    [CrossRef]
  3. D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. R. Ell, U. Morgner, F. X. Kärtner, J. G. Fujimoto, E. P. Ippen, V. Scheuer, G. Angelow, T. Tschudi, M. J. Lederer, A. Boiko, and B. Luther-Davies, Opt. Lett. 26, 373 (2001).
    [CrossRef]
  6. T. M. Fortier, D. J. Jones, and S. T. Cundiff, Opt. Lett. 28, 2198 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. L. Matos, D. Kleppner, O. Kuzucu, T. R. Schibli, J. Kim, E. P. Ippen, and F. X. Kaertner, Opt. Lett. 29, 1683 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
    [CrossRef]
  9. S. M. Foreman, D. J. Jones, and J. Ye, Opt. Lett. 28, 370 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. M. Zimmermann, C. Gohle, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 29, 310 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. T. Fuji, A. Apolonski, and F. Krausz, Opt. Lett. 29, 632 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
    [CrossRef]
  13. N. G. Basov and M. A. Gubin, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6, 857 (2000).
    [CrossRef]
  14. A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
    [CrossRef]
  15. Mention of commercial product names is for purposes of identification only.
  16. E. V. Kovalchuk, D. Dekorsy, A. I. Lvovsky, C. Braxmaier, J. Mlynek, A. Peters, and S. Schiller, Opt. Lett. 26, 1430 (2001).
    [CrossRef]
  17. All synthesizers and frequency counters used in the experiment were referenced to a local cesium clock.
  18. J. Ye, J.-L. Peng, R. J. Jones, K. W. Holman, J. L. Hall, D. J. Jones, S. A. Diddams, J. Kitching, S. Bize, J. C. Bergquist, L. W. Hollberg, L. Robertsson, and L.-S. Ma, J. Opt. Soc. Am. B 20, 1459 (2003).
    [CrossRef]
  19. D. Lee and N. C. Wong, Opt. Lett. 17, 13 (1992).
    [CrossRef] [PubMed]
  20. K. W. Holman, D. J. Jones, D. D. Hudson, and J. Ye, Opt. Lett. 29, 1554 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]

2004

2003

2002

A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
[CrossRef]

2001

R. Ell, U. Morgner, F. X. Kärtner, J. G. Fujimoto, E. P. Ippen, V. Scheuer, G. Angelow, T. Tschudi, M. J. Lederer, A. Boiko, and B. Luther-Davies, Opt. Lett. 26, 373 (2001).
[CrossRef]

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

J. Ye, L. S. Ma, and J. L. Hall, Phys. Rev. Lett. 87, 270801 (2001).
[CrossRef]

E. V. Kovalchuk, D. Dekorsy, A. I. Lvovsky, C. Braxmaier, J. Mlynek, A. Peters, and S. Schiller, Opt. Lett. 26, 1430 (2001).
[CrossRef]

2000

N. G. Basov and M. A. Gubin, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6, 857 (2000).
[CrossRef]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1995

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[CrossRef]

1992

Amy-Klein, A.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[CrossRef]

Angelow, G.

Apolonski, A.

T. Fuji, A. Apolonski, and F. Krausz, Opt. Lett. 29, 632 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Baltuška, A.

A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
[CrossRef]

Basov, N. G.

N. G. Basov and M. A. Gubin, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6, 857 (2000).
[CrossRef]

Bergquist, J. C.

J. Ye, J.-L. Peng, R. J. Jones, K. W. Holman, J. L. Hall, D. J. Jones, S. A. Diddams, J. Kitching, S. Bize, J. C. Bergquist, L. W. Hollberg, L. Robertsson, and L.-S. Ma, J. Opt. Soc. Am. B 20, 1459 (2003).
[CrossRef]

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Bize, S.

Boiko, A.

Braxmaier, C.

Chardonnet, C.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[CrossRef]

Cundiff, S. T.

T. M. Fortier, D. J. Jones, and S. T. Cundiff, Opt. Lett. 28, 2198 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Curtis, E. A.

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Daussy, C.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[CrossRef]

Dekorsy, D.

Diddams, S. A.

J. Ye, J.-L. Peng, R. J. Jones, K. W. Holman, J. L. Hall, D. J. Jones, S. A. Diddams, J. Kitching, S. Bize, J. C. Bergquist, L. W. Hollberg, L. Robertsson, and L.-S. Ma, J. Opt. Soc. Am. B 20, 1459 (2003).
[CrossRef]

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Drullinger, R. E.

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Ell, R.

Foreman, S. M.

Fortier, T. M.

Fuji, T.

T. Fuji, A. Apolonski, and F. Krausz, Opt. Lett. 29, 632 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
[CrossRef]

Fujimoto, J. G.

Gohle, C.

Goncharov, A.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[CrossRef]

Grain, C.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[CrossRef]

Gubin, M. A.

N. G. Basov and M. A. Gubin, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6, 857 (2000).
[CrossRef]

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[CrossRef]

Hall, J. L.

J. Ye, J.-L. Peng, R. J. Jones, K. W. Holman, J. L. Hall, D. J. Jones, S. A. Diddams, J. Kitching, S. Bize, J. C. Bergquist, L. W. Hollberg, L. Robertsson, and L.-S. Ma, J. Opt. Soc. Am. B 20, 1459 (2003).
[CrossRef]

J. Ye, L. S. Ma, and J. L. Hall, Phys. Rev. Lett. 87, 270801 (2001).
[CrossRef]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Hänsch, T. W.

M. Zimmermann, C. Gohle, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 29, 310 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Hollberg, L.

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Hollberg, L. W.

Holman, K. W.

Holzwarth, R.

M. Zimmermann, C. Gohle, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 29, 310 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Hudson, D. D.

Ippen, E. P.

Itano, W. M.

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Jones, D. J.

Jones, R. J.

Kaertner, F. X.

Kärtner, F. X.

Kim, J.

Kitching, J.

Kleppner, D.

Kobayashi, T.

A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
[CrossRef]

Koval’chuk, E. V.

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[CrossRef]

Kovalchuk, E. V.

Kramer, G.

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[CrossRef]

Krausz, F.

T. Fuji, A. Apolonski, and F. Krausz, Opt. Lett. 29, 632 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Kuzucu, O.

Lederer, M. J.

Lee, D.

Lee, W. D.

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Lipphardt, B.

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[CrossRef]

Lopez, O.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[CrossRef]

Luther-Davies, B.

Lvovsky, A. I.

Ma, L. S.

J. Ye, L. S. Ma, and J. L. Hall, Phys. Rev. Lett. 87, 270801 (2001).
[CrossRef]

Ma, L.-S.

Matos, L.

Mlynek, J.

Morgner, U.

Oates, C. W.

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Peng, J.-L.

Peters, A.

Poppe, A.

A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Ranka, J. K.

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Robertsson, L.

Santarelli, G.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[CrossRef]

Scheuer, V.

Schibli, T. R.

Schiller, S.

Shelkovnikov, A. S.

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[CrossRef]

Spielmann, C.

A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Stentz, A.

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Tempea, G.

A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Tschudi, T.

Tyurikov, D. A.

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[CrossRef]

Udem, T.

M. Zimmermann, C. Gohle, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 29, 310 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Vogel, K. R.

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Windeler, R. S.

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Wineland, D. J.

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Wong, N. C.

Ye, J.

Zimmermann, M.

Appl. Phys. B

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron.

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[CrossRef]

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.

N. G. Basov and M. A. Gubin, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6, 857 (2000).
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. B

Opt. Lett.

Phys. Rev. Lett.

A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
[CrossRef]

J. Ye, L. S. Ma, and J. L. Hall, Phys. Rev. Lett. 87, 270801 (2001).
[CrossRef]

A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, C. Spielmann, T. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 85, 740 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Science

S. A. Diddams, T. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Other

All synthesizers and frequency counters used in the experiment were referenced to a local cesium clock.

Mention of commercial product names is for purposes of identification only.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Setup for a SFG-based optical heterodyne beat for the implementation of an optical clock without carrier-envelope phase control. Note that 3.39 µm+834 nm670 nm. OC, output coupler; OM, optional mirror; BS, beam splitter; PZT, piezoelectric transducer; PMT, photomultiplier tube; OSA, optical spectrum analyzer. All intracavity mirrors are double-chirped mirrors.

Fig. 2
Fig. 2

Ti:sapphire laser spectra on a linear scale (darker solid curve) and on a logarithmic scale (dotted curve) measured after the prism-based delay line (cf. Fig. 1). The lighter solid curve shows the output coupler’s reflectivity for comparison. The amplitude of the short-wavelength peak at 670 nm is strongly enhanced by roll-off of the output coupler, and it is highly sensitive to intracavity dispersion.

Fig. 3
Fig. 3

Heterodyne beat between the SFG comb and the Ti:sapphire comb at 670 nm. The signal-to-noise ratio of the beat signal is 23 dB measured in a 100-kHz resolution bandwidth.

Fig. 4
Fig. 4

Comparison of the tenth harmonic of the Ti:sapphire repetition frequency and the hydrogen maser-based rf reference at 780 MHz (at a 1-s gate time). In time interval A, the optical heterodyne beat signal is stabilized and the OPO pump laser is phase locked to the iodine frequency standard, resulting in a standard deviation of 0.837 Hz at a 1-s gate time. At 108 s, the optical beat signal remains stabilized, but we deliberately unlock the OPO pump laser. In subsequent time interval B, the standard deviation is correspondingly increased to 5.09 Hz.

Metrics