Synchronization of femtosecond laser pulses and RF signal by using a Sagnac Loop Mach-Zehnder interferometer

サニャックループ型マッハツェンダー干渉計によるフェムト秒レーザとRF信号の高精度同期

Dai, H.*; 羽島 良一

Dai, H.*; Hajima, Ryoichi

フェムト秒X線パルスの発生が可能なERL型次世代放射光源において、超高速現象の科学を展開するためには、放射光施設の任意のビームラインに対してX線パルスに同期した基準信号を分配しなければならない。このような基準信号の分配方式として、サニャックループ型のマッハツェンダー干渉計を利用し、フェムト秒モードロックレーザに同期したRF信号の発生を試みた。この方式では、RF信号とレーザーパルスのタイミングのずれ(位相差)を干渉計の出力信号(2つの信号の強度差)に変換することで、高精度の同期が期待できる。実験では、83.3MHzのモードロックレーザに同期させたオシレータ(VCO)でRFを発生したところ、10kHzから1MHzの周波数範囲で位相ノイズの大幅な低減を確認した。

For future advanced energy recovery linac to generate femtosecond X-ray pulses, precise synchronization between sub-systems is highly desired. Typical synchronization methods based on direct photo detection are limited by detector nonlinearities, which lead to amplitude-to-phase conversion and introduce excess timing jitter. In this paper, we experimentally demonstrate an optical-electronic mixed phase lock loop to synchronize the RF signal and laser pulses. In this synchronism setup, a Sagnac-loop Mach-Zehnder interferometer has been used to suppress the excess noise of direct photo detection. This scheme transfers the timing information into a intensity imbalance between the two output beams of the interferometer. As experimental demonstration, the single side-band phase noise of RF signal from the VCO is locked to the mode-locked Ti:Sapphire laser in the spectrum covering the range of 10 kHz to 1 MHz. This synchronization scheme greatly reduces the phase noise and timing jitter of the RF signal.