Fyzikální oddělení Tsinghua dosáhlo významného pokroku v technologii laserového vysokofrekvenčního fázového potlačení šumu

Od zrodu prvního laseru v roce 1960 se laserová technologie široce používá v různých oblastech fyziky, jako je laserová komunikace, laserová spektroskopie, plynové pedály laserových částic a laserová interferometrie. V experimentálních studiích atomové a molekulární a optické fyziky výkon laserů určuje schopnost člověka manipulovat s mikroskopickými částicemi, jako jsou atomy a molekuly. V posledních letech se s rozvojem kvantové vědy a techniky dále zlepšily požadavky vědeckých experimentů na lasery. Například, aby bylo možné přesně manipulovat s kvantovým stavem atomů a realizovat vysoce přesná kvantová logická hradla, lidé potřebují lasery se stabilní absolutní frekvencí a extrémně nízkým fázovým šumem. Aby se eliminoval frekvenční drift laserů, vyvinuli tři fyzici, Robert Pound, Ronald Drever a John Hall (zkráceně PDH), metodu založenou na technice modulace-demodulace k uzamčení frekvence laseru do Fabry-Perotovy optické dutiny. . Metoda je mimořádně účinná při potlačování nízkofrekvenčních (<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 Schématické schéma experimentálního zařízení a také schéma efektu. (a) Typické zařízení pro stabilizaci frekvence zpětné vazby PDH (bílá oblast pozadí) a zařízení pro potlačení dopředného fázového šumu PDH (modrá stínovaná oblast). (b) Spektrum vnějšího rozdílu mezi výstupním světlem a procházejícím světlem ze superstabilizované dutiny. Červené spektrum je odlehlé spektrum, když se nepoužívá dopředná vazba PDH, a modré je odlehlé spektrum, když se používá dopředná vazba PDH.
Nedávno byla vyvinuta nová technika pro potlačení fázového šumu laseru skupinou Mung-Kun Cheng-Yuli na katedře fyziky, Tsinghua University, která dosahuje až čtyřřádového potlačení vysokofrekvenčního fázového šumu v rozsahu MHz. , což je o jeden až dva řády lepší než všechny předchozí metody potlačení fázového šumu založené na zpětné/dopředné vazbě. Metoda je chytrým rozšířením klasické techniky stabilizace frekvence PDH. Zjistili, že při použití zpětné vazby PDH k uzamčení frekvence laseru do superstabilizované dutiny je zbývající chybový signál úměrný fázovému posunu laseru v reálném čase ve vysokofrekvenční oblasti. V důsledku toho navrhli nové schéma dopředného přenosu přidáním desetimetrové části optického vlákna do původního nastavení technologie PDH, aby se zpozdilo pole laserového světla, kompenzovalo se časové zpoždění způsobené procesem generování chybového signálu PDH a poté aplikujte tento PDH signál na elektrooptický krystal, který moduluje fázi světelného pole, aby se odstranil fázový šum laseru (obr. 1).

Obr. 2 Variační křivka koeficientu potlačení fázového šumu s frekvencí šumu pro dopřednou metodu PDH. Červené tečky na obrázku znázorňují experimentální naměřená data a zelená plná čára teoretickou hodnotu koeficientu potlačení fázového šumu metodou filtrování optické dutiny.
Výzkumný tým změřil účinek potlačení fázového šumu na různých frekvencích pomocí PDH dopředné metody a zjistil, že tato metoda dokáže účinně potlačit fázový šum laseru až do 20 MHz s teoretickým vysvětlením (obrázek 2). Pro nižší frekvence zjistili, že dopředná metoda je ekvivalentní metodě filtrování v optické dutině, ale neomezuje přenášený výkon laseru tak silně jako druhá. Pro vyšší frekvence lze účinnost metody dále zvýšit zúžením disperzního efektu elektroniky. Stojí za zmínku, že obvody používané k zesílení chybových signálů pro generování dopředných signálů v této práci byly vyvinuty a navrženy členy týmu, což pokládá pevný základ pro další popularizaci a aplikaci práce.
Recenzent tuto práci vysoce komentoval: "Technika PDH je široce používána v mnoha oblastech, včetně časově-frekvenční metrologie, spektroskopie a atomové fyziky. Studii potlačení fázového šumu laseru ve frekvenčním rozsahu MHz se dostalo velké pozornosti a je důležité." pro četné aplikace V kombinaci s jednoduchými technikami prezentovanými v tomto dokumentu věřím, že tento výzkum bude mít široký dopad a může vést k širokému využití dopředných schémat." Výzkum byl publikován pod názvem „Pound-Drever-Hall feedforward: laser phase noise potlačení mimo zpětnou vazbu“ 9. července 2024 v optickém časopise Optica.