Fyzikálne oddelenie Tsinghua urobilo dôležitý pokrok v technológii laserového vysokofrekvenčného rušenia fázového šumu

Od zrodu prvého lasera v roku 1960 sa laserová technológia široko používa v rôznych oblastiach fyziky, ako je laserová komunikácia, laserová spektroskopia, plynové pedály laserových častíc a laserová interferometria. V experimentálnych štúdiách atómovej a molekulárnej a optickej fyziky výkon laserov určuje schopnosť človeka manipulovať s mikroskopickými časticami, ako sú atómy a molekuly. V posledných rokoch sa s rozvojom kvantovej vedy a techniky požiadavky vedeckých experimentov na lasery ďalej zlepšujú. Napríklad, aby bolo možné presne manipulovať s kvantovým stavom atómov a realizovať vysoko presné kvantové logické brány, ľudia potrebujú lasery so stabilnou absolútnou frekvenciou a extrémne nízkym fázovým šumom. Aby sa eliminoval frekvenčný drift laserov, traja fyzici, Robert Pound, Ronald Drever a John Hall (skrátene PDH), vyvinuli metódu založenú na technike modulácie a demodulácie na uzamknutie frekvencie lasera do Fabry-Perotovej optickej dutiny. . Metóda je mimoriadne účinná pri potláčaní nízkofrekvenčných (<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.

Obr. 1 Schematický diagram experimentálneho zariadenia ako aj diagram účinku. (a) Typické PDH spätnoväzbové zariadenie na stabilizáciu frekvencie (oblasť bieleho pozadia) a PDH dopredné zariadenie na potlačenie fázového šumu (modrá tieňovaná oblasť). (b) Spektrum vonkajšieho rozdielu medzi výstupným svetlom a svetlom prechádzajúcim zo superstabilizovanej dutiny. Červené spektrum je odľahlé spektrum, keď sa nepoužije dopredná hodnota PDH, a modrá je odľahlé spektrum, keď sa použije dopredná hodnota PDH.
Nedávno skupina Mung-Kun Cheng-Yuli na Katedre fyziky Univerzity Tsinghua vyvinula novú techniku ​​na potlačenie fázového šumu lasera, ktorá dosahuje až štyri rády potlačenia vysokofrekvenčného fázového šumu v rozsahu MHz. , čo je o jeden až dva rády lepšie ako všetky predchádzajúce metódy potláčania fázového šumu založené na spätnej väzbe/dopredu. Metóda je šikovným rozšírením klasickej techniky stabilizácie frekvencie PDH. Zistili, že pri použití spätnej väzby PDH na uzamknutie frekvencie lasera do superstabilizovanej dutiny je zostávajúci chybový signál úmerný fázovému posunu lasera v reálnom čase vo vysokofrekvenčnej oblasti. V dôsledku toho navrhli novú doprednú schému pridaním desaťmetrovej časti optického vlákna do pôvodného nastavenia technológie PDH na oneskorenie poľa laserového svetla, čím sa kompenzuje časové oneskorenie spôsobené procesom generovania chybového signálu PDH a potom aplikovaním tohto PDH signálu na elektrooptický kryštál, ktorý moduluje fázu svetelného poľa, aby sa odstránil fázový šum lasera (obr. 1).

Obr. 2 Krivka variácie koeficientu potlačenia fázového šumu s frekvenciou šumu pre doprednú metódu PDH. Červené bodky na obrázku znázorňujú experimentálne namerané údaje a zelená plná čiara znázorňuje teoretickú hodnotu koeficientu potlačenia fázového šumu metódou filtrovania optickej dutiny.
Výskumný tím meral potláčací efekt doprednej metódy PDH pre fázový šum pri rôznych frekvenciách a zistil, že metóda dokáže efektívne potlačiť fázový šum lasera až do 20 MHz s teoretickým vysvetlením (obrázok 2). Pre nižšie frekvencie zistili, že dopredná metóda je ekvivalentná metóde filtrovania optickej dutiny, ale neobmedzuje prenášaný výkon lasera tak vážne ako druhá. Pre vyššie frekvencie možno účinnosť metódy ešte zvýšiť zúžením disperzného efektu elektroniky. Stojí za zmienku, že obvody používané na zosilnenie chybových signálov na generovanie dopredných signálov v tejto práci boli vyvinuté a navrhnuté členmi tímu, čo vytvára pevný základ pre ďalšiu popularizáciu a aplikáciu práce.
Recenzent túto prácu vysoko komentoval: "Technika PDH je široko používaná v mnohých oblastiach vrátane časovo-frekvenčnej metrológie, spektroskopie a atómovej fyziky. Štúdiu potláčania laserového fázového šumu vo frekvenčnom rozsahu MHz sa venuje veľká pozornosť a je dôležitá pre mnohé aplikácie V kombinácii s jednoduchými technikami prezentovanými v tomto dokumente verím, že tento výskum bude mať široký vplyv a môže viesť k širokému využívaniu dopredných schém." Výskum bol publikovaný pod názvom „Pound-Drever-Hall feedforward: laser phase noise potlačenie mimo spätnej väzby“ 9. júla 2024 v optickom časopise Optica.