Tsinghua Fizikas nodaļa gūst nozīmīgus panākumus lāzera augstfrekvences fāzes trokšņu slāpēšanas tehnoloģijā

Kopš pirmā lāzera dzimšanas 1960. gadā lāzertehnoloģijas ir plaši izmantotas dažādās fizikas jomās, piemēram, lāzerkomunikācijā, lāzera spektroskopijā, lāzera daļiņu gāzes pedāļos un lāzera interferometrijā. Eksperimentālajos atomu un molekulārās un optiskās fizikas pētījumos lāzeru darbība nosaka cilvēka spēju manipulēt ar mikroskopiskām daļiņām, piemēram, atomiem un molekulām. Pēdējos gados, attīstoties kvantu zinātnei un tehnoloģijai, zinātnisko eksperimentu prasības lāzeriem ir vēl vairāk pilnveidotas. Piemēram, lai precīzi manipulētu ar atomu kvantu stāvokli un realizētu augstas precizitātes kvantu loģikas vārtus, cilvēkiem ir nepieciešami lāzeri ar stabilu absolūto frekvenci un ārkārtīgi zemu fāzes troksni. Lai novērstu lāzeru frekvences novirzi, trīs fiziķi Roberts Paunds, Ronalds Drevers un Džons Hols (īsumā PDH) izstrādāja metodi, kuras pamatā ir modulācijas-demodulācijas tehnika, lai bloķētu lāzera frekvenci Fabri-Perota optiskajā dobumā. . Metode ir ārkārtīgi efektīva, lai nomāktu zemas frekvences (<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.

1. att. Eksperimentālās ierīces shematiskā diagramma, kā arī efektu diagramma. (a) Tipiska PDH atgriezeniskās saites frekvences stabilizācijas ierīce (baltā fona apgabals) un PDH uz priekšu vērstās fāzes trokšņu slāpēšanas ierīce (zilā iekrāsotā zona). b) ārējās atšķirības spektrs starp izejas gaismu un pārraidīto gaismu no superstabilizētā dobuma. Sarkanais spektrs ir ārējais spektrs, kad netiek izmantota PDH pāreja, un zilais ir ārējais spektrs, kad tiek izmantota PDH pāreja.
Nesen Mung-Kun Cheng-Yuli grupa Tsinghua Universitātes Fizikas katedrā ir izstrādājusi jaunu lāzera fāzes trokšņu slāpēšanas paņēmienu, kas sasniedz līdz četrām kārtām augstfrekvences fāzes trokšņu slāpēšanu MHz diapazonā. , kas ir par vienu līdz divām kārtām labāks nekā visas iepriekšējās atgriezeniskās saites/uz priekšu balstītas fāzes trokšņu slāpēšanas metodes. Metode ir gudrs klasiskās PDH frekvences stabilizācijas tehnikas paplašinājums. Viņi atklāja, ka, izmantojot PDH atgriezenisko saiti, lai bloķētu lāzera frekvenci superstabilizētajā dobumā, atlikušais kļūdas signāls ir proporcionāls reāllaika lāzera fāzes nobīdei augstfrekvences reģionā. Rezultātā viņi ierosināja jaunu padeves uz priekšu shēmu, pievienojot desmit metru optiskās šķiedras posmu oriģinālajam PDH tehnoloģijas iestatījumam, lai aizkavētu lāzera gaismas lauku, kompensējot laika aizkavi, ko rada PDH kļūdas signāla ģenerēšanas process, un pēc tam piemērojot šo PDH signālu elektrooptiskajam kristālam, kas modulē gaismas lauka fāzi, lai noņemtu lāzera fāzes troksni (1. att.).

2. att. Fāzes trokšņu slāpēšanas koeficienta variācijas līkne ar trokšņu frekvenci PDH pārsūtīšanas metodei. Sarkanie punkti attēlā parāda eksperimentāli izmērītos datus, bet zaļā nepārtrauktā līnija parāda fāzes trokšņu slāpēšanas koeficienta teorētisko vērtību ar optiskā dobuma filtrēšanas metodi.
Pētnieku grupa izmērīja PDH pārejas metodes slāpēšanas efektu fāzes trokšņiem dažādās frekvencēs un konstatēja, ka šī metode var efektīvi nomākt lāzera fāzes troksni līdz 20 MHz ar teorētisku skaidrojumu (2. attēls). Zemākām frekvencēm viņi atklāja, ka uz priekšu vērstā metode ir līdzvērtīga optiskā dobuma filtrēšanas metodei, taču neierobežo pārraidīto lāzera jaudu tik stingri kā pēdējā. Augstākām frekvencēm metodes efektivitāti var vēl vairāk uzlabot, sašaurinot elektronikas izkliedes efektu. Ir vērts pieminēt, ka shēmas, ko izmanto kļūdu signālu pastiprināšanai, lai ģenerētu uz priekšu vērstus signālus šajā darbā, ir izstrādājuši un izstrādājuši komandas locekļi, kas rada stabilu pamatu darba tālākai popularizēšanai un pielietošanai.
Recenzents atzinīgi novērtēja šo darbu: "PDH tehnika tiek plaši izmantota daudzās jomās, tostarp laika frekvences metroloģijā, spektroskopijā un atomu fizikā. Lāzera fāzes trokšņu slāpēšanas pētījumi MHz frekvenču diapazonā ir saņēmuši lielu uzmanību un ir svarīgi. Apvienojumā ar šajā dokumentā aprakstītajām vienkāršajām metodēm es uzskatu, ka šim pētījumam būs plaša ietekme un tas var veicināt tālāku virzienu shēmu plašu izmantošanu. Pētījums tika publicēts ar nosaukumu "Pound-Drever-Hall feedforward: lāzera fāzes trokšņu slāpēšana ārpus atgriezeniskās saites" 2024. gada 9. jūlijā optikas žurnālā Optica.