Odjel za fiziku Tsinghua čini važan napredak u tehnologiji poništavanja buke visoke frekvencije lasera

Od rođenja prvog lasera 1960. godine, laserska tehnologija se široko koristi u različitim poljima fizike, kao što su laserska komunikacija, laserska spektroskopija, laserske pedale gasa čestica i laserska interferometrija. U eksperimentalnim studijama atomske i molekularne i optičke fizike, performanse lasera određuju nečiju sposobnost da manipuliše mikroskopskim česticama kao što su atomi i molekuli. Poslednjih godina, razvojem kvantne nauke i tehnologije, zahtevi naučnih eksperimenata za lasere su dodatno poboljšani. Na primjer, da bi precizno manipulirali kvantnim stanjem atoma i realizirali kvantna logička vrata visoke preciznosti, ljudima su potrebni laseri sa stabilnom apsolutnom frekvencijom i ekstremno niskim faznim šumom. Kako bi eliminisali frekventni drift lasera, tri fizičara, Robert Pound, Ronald Drever i John Hall (skraćeno PDH), razvili su metodu zasnovanu na tehnici modulacije-demodulacije za zaključavanje laserske frekvencije u Fabry-Perot optičku šupljinu. . Metoda je izuzetno efikasna u suzbijanju niskofrekventnih (<100 kHz) phase noise in lasers. However, since it is a technique based on feedback control, it is inevitably limited by the feedback bandwidth, and thus cannot effectively suppress the high-frequency phase noise of the laser. On the other hand, the existing laser high-frequency phase noise elimination method means are more complicated, and there is still much room for improvement in stability and noise suppression.

Slika 1 Šematski dijagram eksperimentalnog uređaja kao i dijagram efekta. (a) Tipični PDH uređaj za stabilizaciju frekvencije povratne veze (područje bijele pozadine) i PDH uređaj za poništavanje fazne buke naprijed (plavo osjenčano područje). (b) Spektar vanjske razlike između izlazne svjetlosti i propuštene svjetlosti iz superstabilizirane šupljine. Crveni spektar je izvanredni spektar kada se PDH feedforward ne koristi, a plavi je izvanredni spektar kada se koristi PDH feedforward.
Nedavno je grupa Mung-Kun Cheng-Yuli na Odsjeku za fiziku Univerziteta Tsinghua razvila novu tehniku ​​za lasersko fazno poništavanje buke, koja postiže do četiri reda veličine supresije visokofrekventne fazne buke u opsegu MHz. , što je za jedan do dva reda veličine bolje od svih prethodnih metoda poništavanja faznog šuma zasnovanog na povratnoj sprezi/feedforward. Metoda je pametno proširenje klasične PDH tehnike stabilizacije frekvencije. Otkrili su da kada se koristi PDH povratna sprega za zaključavanje laserske frekvencije u superstabiliziranu šupljinu, preostali signal greške je proporcionalan pomaku faze lasera ​​u realnom vremenu u području visoke frekvencije. Kao rezultat toga, oni su predložili novu shemu daljeg prijenosa dodavanjem dijela optičkog vlakna od deset metara originalnoj PDH tehnologiji kako bi se odgodilo lasersko svjetlosno polje, kompenzirajući vremensko kašnjenje uvedeno procesom generiranja signala greške PDH, i zatim primjenom ovog PDH signala na elektrooptički kristal koji modulira fazu svjetlosnog polja kako bi uklonio fazni šum lasera (slika 1).

Slika 2 Krivulja varijacije koeficijenta poništavanja faznog šuma sa frekvencijom šuma za PDH metodu napredovanja. Crvene tačke na slici prikazuju eksperimentalno izmjerene podatke, a zelena puna linija prikazuje teorijsku vrijednost koeficijenta poništavanja faznog šuma metodom filtriranja optičke šupljine.
Istraživački tim je izmjerio efekat potiskivanja PDH metode napredovanja za fazni šum na različitim frekvencijama i otkrio da metoda može efikasno potisnuti laserski fazni šum do 20 MHz uz teorijsko objašnjenje (slika 2). Za niže frekvencije, otkrili su da je metoda feedforward-a ekvivalentna metodi filtriranja optičkih šupljina, ali ne ograničava prenošenu lasersku snagu tako ozbiljno kao potonja. Za veće frekvencije, efikasnost metode može se dodatno poboljšati sužavanjem disperzijskog efekta elektronike. Vrijedi spomenuti da su kola koja se koriste za pojačavanje signala greške za generiranje signala naprijed u ovom radu razvijena i dizajnirana od strane članova tima, što postavlja čvrstu osnovu za daljnju popularizaciju i primjenu rada.
Recenzent je pohvalio ovaj rad: "PDH tehnika se široko koristi u mnogim poljima, uključujući metrologiju vremenske frekvencije, spektroskopiju i atomsku fiziku. Studija supresije laserskog faznog šuma u frekvencijskom opsegu MHz dobila je veliku pažnju i važna je za brojne primjene, u kombinaciji s jednostavnim tehnikama predstavljenim u ovom radu, vjerujem da će ovo istraživanje imati širok utjecaj i da može podstaći široku upotrebu shema naprijed. Istraživanje je objavljeno pod naslovom "Pound-Drever-Hall feedforward: supresija laserske faze bez povratne sprege" 9. jula 2024. u optičkom časopisu Optica.