Το Τμήμα Φυσικής Tsinghua σημειώνει σημαντική πρόοδο στην τεχνολογία ακύρωσης θορύβου φάσης υψηλής συχνότητας με λέιζερ

Από τη γέννηση του πρώτου λέιζερ το 1960, η τεχνολογία λέιζερ έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορους τομείς της φυσικής, όπως η επικοινωνία με λέιζερ, η φασματοσκοπία λέιζερ, τα πεντάλ αερίων σωματιδίων λέιζερ και η συμβολομετρία λέιζερ. Σε πειραματικές μελέτες ατομικής και μοριακής και οπτικής φυσικής, η απόδοση των λέιζερ καθορίζει την ικανότητα κάποιου να χειρίζεται μικροσκοπικά σωματίδια όπως άτομα και μόρια. Τα τελευταία χρόνια, με την ανάπτυξη της κβαντικής επιστήμης και τεχνολογίας, οι απαιτήσεις των επιστημονικών πειραμάτων για λέιζερ έχουν βελτιωθεί περαιτέρω. Για παράδειγμα, για να χειριστούν με ακρίβεια την κβαντική κατάσταση των ατόμων και να πραγματοποιήσουν κβαντικές λογικές πύλες υψηλής ακρίβειας, οι άνθρωποι χρειάζονται λέιζερ με σταθερή απόλυτη συχνότητα και εξαιρετικά χαμηλό θόρυβο φάσης. Προκειμένου να εξαλειφθεί η μετατόπιση συχνότητας των λέιζερ, τρεις φυσικοί, ο Robert Pound, ο Ronald Drever και ο John Hall (PDH για συντομία), ανέπτυξαν μια μέθοδο που βασίζεται σε μια τεχνική διαμόρφωσης-αποδιαμόρφωσης για να κλειδώσει τη συχνότητα λέιζερ σε μια οπτική κοιλότητα Fabry-Perot . Η μέθοδος είναι εξαιρετικά αποτελεσματική στην καταστολή των χαμηλών συχνοτήτων (<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.

Εικ. 1 Σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής συσκευής καθώς και το διάγραμμα εφέ. (α) Τυπική συσκευή σταθεροποίησης συχνότητας ανάδρασης PDH (περιοχή λευκού φόντου) και συσκευή ακύρωσης θορύβου φάσης τροφοδοσίας PDH (μπλε σκιασμένη περιοχή). (β) Φάσμα της εξωτερικής διαφοράς μεταξύ του φωτός εξόδου και του εκπεμπόμενου φωτός από την υπερ-σταθεροποιημένη κοιλότητα. Το κόκκινο φάσμα είναι το ακραίο φάσμα όταν δεν χρησιμοποιείται η πρόσθια τροφοδοσία PDH και το μπλε είναι το ακραίο φάσμα όταν χρησιμοποιείται η πρόσθια τροφοδοσία PDH.
Πρόσφατα, μια νέα τεχνική για την ακύρωση θορύβου φάσης λέιζερ αναπτύχθηκε από την ομάδα Mung-Kun Cheng-Yuli στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Tsinghua, η οποία επιτυγχάνει έως και τέσσερις τάξεις μεγέθους καταστολή του θορύβου φάσης υψηλής συχνότητας στην περιοχή MHz. , το οποίο είναι μία έως δύο τάξεις μεγέθους καλύτερο από όλες τις προηγούμενες μεθόδους ακύρωσης θορύβου φάσης που βασίζονται σε ανάδραση/ανατροφοδότηση. Η μέθοδος είναι μια έξυπνη επέκταση της κλασικής τεχνικής σταθεροποίησης συχνότητας PDH. Βρήκαν ότι όταν χρησιμοποιούσαν την ανάδραση PDH για να κλειδώσουν τη συχνότητα του λέιζερ στην υπερ-σταθεροποιημένη κοιλότητα, το σήμα σφάλματος που απομένει είναι ανάλογο με τη μετατόπιση φάσης λέιζερ σε πραγματικό χρόνο στην περιοχή υψηλής συχνότητας. Ως αποτέλεσμα, πρότειναν ένα νέο σχέδιο τροφοδοσίας προσθέτοντας ένα τμήμα οπτικής ίνας δέκα μέτρων στην αρχική διάταξη τεχνολογίας PDH για να καθυστερήσει το πεδίο φωτός λέιζερ, αντισταθμίζοντας τη χρονική καθυστέρηση που εισάγεται από τη διαδικασία παραγωγής σήματος σφάλματος PDH, και στη συνέχεια εφαρμόζοντας αυτό το σήμα PDH σε έναν ηλεκτρο-οπτικό κρύσταλλο που διαμορφώνει τη φάση του πεδίου φωτός για να αφαιρέσει τον θόρυβο φάσης λέιζερ (Εικ. 1).

Εικ. 2 Καμπύλη μεταβολής του συντελεστή ακύρωσης θορύβου φάσης με συχνότητα θορύβου για τη μέθοδο τροφοδοσίας PDH. Οι κόκκινες κουκκίδες στο σχήμα δείχνουν τα πειραματικά μετρημένα δεδομένα και η πράσινη συμπαγής γραμμή δείχνει τη θεωρητική τιμή του συντελεστή ακύρωσης θορύβου φάσης με τη μέθοδο φιλτραρίσματος οπτικής κοιλότητας.
Η ερευνητική ομάδα μέτρησε το αποτέλεσμα καταστολής της μεθόδου τροφοδοσίας PDH για το θόρυβο φάσης σε διαφορετικές συχνότητες και διαπίστωσε ότι η μέθοδος μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά το θόρυβο φάσης λέιζερ έως και 20 MHz με μια θεωρητική εξήγηση (Εικόνα 2). Για τις χαμηλότερες συχνότητες, βρήκαν ότι η μέθοδος προώθησης είναι ισοδύναμη με τη μέθοδο φιλτραρίσματος οπτικής κοιλότητας, αλλά δεν περιορίζει τη μεταδιδόμενη ισχύ λέιζερ τόσο σοβαρά όσο η τελευταία. Για υψηλότερες συχνότητες, η αποτελεσματικότητα της μεθόδου μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω περιορίζοντας το φαινόμενο διασποράς των ηλεκτρονικών. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση των σημάτων σφάλματος για τη δημιουργία σημάτων προώθησης σε αυτήν την εργασία αναπτύχθηκαν και σχεδιάστηκαν από τα μέλη της ομάδας, γεγονός που θέτει μια σταθερή βάση για την περαιτέρω διάδοση και εφαρμογή της εργασίας.
Ο κριτής σχολίασε ιδιαίτερα αυτή την εργασία: "Η τεχνική PDH χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της μετρολογίας χρονικής συχνότητας, της φασματοσκοπίας και της ατομικής φυσικής. Η μελέτη της καταστολής του θορύβου φάσης λέιζερ στο εύρος συχνοτήτων MHz έχει λάβει μεγάλη προσοχή και είναι σημαντική Για πολυάριθμες εφαρμογές, σε συνδυασμό με τις απλές τεχνικές που παρουσιάζονται σε αυτό το άρθρο, πιστεύω ότι αυτή η έρευνα θα έχει ευρύ αντίκτυπο και μπορεί να οδηγήσει στην ευρεία χρήση των σχημάτων προώθησης. Η έρευνα δημοσιεύθηκε με τον τίτλο "Pound-Drever-Hall feedforward: laser stage noise suppression after feedback" στις 9 Ιουλίου 2024 στο περιοδικό οπτικών Optica.