Odjel za fiziku Tsinghua napravio važan napredak u tehnologiji uklanjanja laserske visokofrekventne fazne buke

Od rođenja prvog lasera 1960. godine, laserska tehnologija naširoko se koristi u raznim područjima fizike, kao što su laserska komunikacija, laserska spektroskopija, laserske čestične plinske pedale i laserska interferometrija. U eksperimentalnim studijama atomske, molekularne i optičke fizike, učinak lasera određuje nečiju sposobnost manipuliranja mikroskopskim česticama kao što su atomi i molekule. Posljednjih godina, s razvojem kvantne znanosti i tehnologije, zahtjevi znanstvenih eksperimenata za lasere dodatno su poboljšani. Na primjer, kako bi se precizno manipuliralo kvantnim stanjem atoma i realizirala kvantna logička vrata visoke preciznosti, ljudi trebaju lasere sa stabilnom apsolutnom frekvencijom i iznimno niskim faznim šumom. Kako bi eliminirali pomicanje frekvencije lasera, trojica fizičara, Robert Pound, Ronald Drever i John Hall (skraćeno PDH), razvili su metodu temeljenu na tehnici modulacije-demodulacije za zaključavanje frekvencije lasera na Fabry-Perot optičku šupljinu . Metoda je izuzetno učinkovita u suzbijanju niske frekvencije (<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. Shematski dijagram eksperimentalnog uređaja kao i dijagram učinka. (a) Tipični PDH povratni uređaj za stabilizaciju frekvencije (bijelo pozadinsko područje) i PDH uređaj za poništavanje faznog šuma naprijed (plavo osjenčano područje). (b) Spektar vanjske razlike između izlaznog svjetla i propuštenog svjetla iz superstabilizirane šupljine. Crveni spektar je ekstremni spektar kada se ne koristi PDH feedforward, a plavi je ekstremni spektar kada se koristi PDH feedforward.
Grupa Mung-Kun Cheng-Yuli na Odsjeku za fiziku Sveučilišta Tsinghua nedavno je razvila novu tehniku ​​za lasersko uklanjanje faznog šuma, koja postiže potiskivanje visokofrekventnog faznog šuma do četiri reda veličine u MHz rasponu , što je jedan do dva reda veličine bolje od svih prethodnih metoda poništavanja faznog šuma temeljenih na povratnoj sprezi/naprijedu. Metoda je pametno proširenje klasične PDH tehnike stabilizacije frekvencije. Utvrdili su da kada se koristi PDH povratna sprega za zaključavanje frekvencije lasera na super-stabiliziranu šupljinu, preostali signal pogreške proporcionalan je faznom pomaku lasera u stvarnom vremenu u području visoke frekvencije. Kao rezultat toga, predložili su novu shemu feed-forwarda dodavanjem desetmetarskog dijela optičkog vlakna izvornoj postavci PDH tehnologije kako bi se odgodilo lasersko svjetlosno polje, kompenzirajući vremensko kašnjenje uvedeno procesom generiranja signala PDH pogreške, i zatim primijeniti ovaj PDH signal na elektro-optički kristal koji modulira fazu svjetlosnog polja kako bi uklonio fazni šum lasera (slika 1).

Slika 2. Krivulja varijacije koeficijenta poništavanja faznog šuma s frekvencijom šuma za PDH metodu s unaprijednim prijenosom. Crvene točke na slici prikazuju eksperimentalne izmjerene podatke, a zelena puna linija prikazuje teoretsku vrijednost koeficijenta poništavanja faznog šuma metodom filtriranja optičkim šupljinama.
Istraživački tim izmjerio je učinak potiskivanja PDH metode faznog šuma na različitim frekvencijama i otkrio da metoda može učinkovito potisnuti laserski fazni šum do 20 MHz uz teoretsko objašnjenje (Slika 2). Za niže frekvencije, otkrili su da je metoda povratne veze ekvivalentna metodi filtriranja optičke šupljine, ali ne ograničava odaslanu lasersku snagu tako ozbiljno kao potonja. Za više frekvencije, učinkovitost metode može se dodatno poboljšati sužavanjem disperzijskog učinka elektronike. Vrijedno je spomenuti da su sklopove koji se koriste za pojačavanje signala pogreške za generiranje signala unaprijed u ovom radu razvili i dizajnirali članovi tima, što postavlja čvrste temelje za daljnju popularizaciju i primjenu rada.
Recenzent je visoko komentirao ovaj rad: "PDH tehnika naširoko se koristi u mnogim područjima, uključujući vremensko-frekvencijsko mjeriteljstvo, spektroskopiju i atomsku fiziku. Studija potiskivanja laserskog faznog šuma u MHz frekvencijskom rasponu dobila je veliku pozornost 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 bi moglo potaknuti široku upotrebu shema povratnih informacija." Istraživanje je objavljeno pod naslovom "Pound-Drever-Hall feedforward: Laser Phase Noise Suppression beyond feedback" 9. srpnja 2024. u optičkom časopisu Optica.