Wydział Fizyki Tsinghua poczynił istotne postępy w technologii laserowej redukcji szumów fazowych o wysokiej częstotliwości

Od czasu powstania pierwszego lasera w 1960 roku technologia laserowa była szeroko stosowana w różnych dziedzinach fizyki, takich jak komunikacja laserowa, spektroskopia laserowa, pedały gazu cząsteczkowego laserowego i interferometria laserowa. W badaniach eksperymentalnych fizyki atomowej, molekularnej i optycznej wydajność laserów określa zdolność do manipulowania mikroskopijnymi cząsteczkami, takimi jak atomy i cząsteczki. W ostatnich latach, wraz z rozwojem nauki i technologii kwantowej, wymagania eksperymentów naukowych dla laserów uległy dalszej poprawie. Na przykład, aby precyzyjnie manipulować stanem kwantowym atomów i realizować bramki logiczne o wysokiej precyzji, ludzie potrzebują laserów o stabilnej częstotliwości bezwzględnej i ekstremalnie niskim szumie fazowym. Aby wyeliminować dryft częstotliwości laserów, trzej fizycy, Robert Pound, Ronald Drever i John Hall (w skrócie PDH), opracowali metodę opartą na technice modulacji-demodulacji w celu zablokowania częstotliwości lasera do wnęki optycznej Fabry'ego-Perota. Metoda ta jest niezwykle skuteczna w tłumieniu niskiej częstotliwości (<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.

Rys. 1 Schematyczny diagram urządzenia eksperymentalnego oraz diagram efektów. (a) Typowe urządzenie stabilizacji częstotliwości sprzężenia zwrotnego PDH (biały obszar tła) i urządzenie do eliminacji szumów fazowych PDH z wyprzedzeniem (niebieski obszar zacieniowany). (b) Widmo zewnętrznej różnicy między światłem wyjściowym a światłem przesyłanym z superstabilizowanej wnęki. Czerwone widmo jest widmem odstającym, gdy nie jest używane PDH z wyprzedzeniem, a niebieskie widmo jest widmem odstającym, gdy jest używane PDH z wyprzedzeniem.
Niedawno grupa Mung-Kun Cheng-Yuli z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Tsinghua opracowała nową technikę laserowej eliminacji szumu fazowego, która pozwala na tłumienie szumu fazowego o wysokiej częstotliwości w zakresie MHz do czterech rzędów wielkości, co jest o jeden do dwóch rzędów wielkości lepsze niż wszystkie poprzednie metody eliminacji szumu fazowego oparte na sprzężeniu zwrotnym/sprzężeniu zwrotnym do przodu. Metoda ta jest sprytnym rozszerzeniem klasycznej techniki stabilizacji częstotliwości PDH. Odkryli, że podczas korzystania ze sprzężenia zwrotnego PDH w celu zablokowania częstotliwości lasera do superstabilizowanej wnęki, pozostały sygnał błędu jest proporcjonalny do przesunięcia fazowego lasera w czasie rzeczywistym w obszarze wysokiej częstotliwości. W rezultacie zaproponowali nowy schemat sprzężenia zwrotnego, dodając dziesięciometrowy odcinek światłowodu do oryginalnej konfiguracji technologii PDH w celu opóźnienia pola światła lasera, kompensując opóźnienie czasowe wprowadzone przez proces generowania sygnału błędu PDH, a następnie stosując ten sygnał PDH do kryształu elektrooptycznego, który moduluje fazę pola światła w celu usunięcia szumu fazowego lasera (rys. 1).

Rys. 2 Krzywa zmienności współczynnika redukcji szumów fazowych w zależności od częstotliwości szumu dla metody PDH feedforward. Czerwone kropki na rysunku pokazują eksperymentalne dane pomiarowe, a zielona linia ciągła pokazuje teoretyczną wartość współczynnika redukcji szumów fazowych metodą filtrowania wnęki optycznej.
Zespół badawczy zmierzył efekt tłumienia metody PDH feedforward dla szumu fazowego przy różnych częstotliwościach i odkrył, że metoda ta może skutecznie tłumić szum fazowy lasera do 20 MHz z teoretycznym wyjaśnieniem (rysunek 2). W przypadku niższych częstotliwości odkryli, że metoda feedforward jest równoważna metodzie filtrowania wnęki optycznej, ale nie ogranicza przesyłanej mocy lasera tak poważnie, jak ta druga. W przypadku wyższych częstotliwości skuteczność metody można dodatkowo zwiększyć, zawężając efekt dyspersji elektroniki. Warto wspomnieć, że obwody używane do wzmacniania sygnałów błędów w celu generowania sygnałów feedforward w tej pracy zostały opracowane i zaprojektowane przez członków zespołu, co stanowi solidną podstawę do dalszej popularyzacji i stosowania pracy.
Recenzent wysoko ocenił tę pracę: „Technika PDH jest szeroko stosowana w wielu dziedzinach, w tym w metrologii czasowo-częstotliwościowej, spektroskopii i fizyce atomowej. Badanie tłumienia szumu fazowego lasera w zakresie częstotliwości MHz wzbudziło duże zainteresowanie i jest ważne dla wielu zastosowań. W połączeniu z prostymi technikami przedstawionymi w tym artykule uważam, że badania te będą miały szeroki wpływ i mogą doprowadzić do powszechnego stosowania schematów sprzężenia zwrotnego”. Badania zostały opublikowane pod tytułem „Pound-Drever-Hall feedforward: laser phase noise suppression beyond feedback” 9 lipca 2024 r. w czasopiśmie optycznym Optica.