Jabatan Fizik Tsinghua Membuat Kemajuan Penting dalam Teknologi Pembatalan Bunyi Fasa Frekuensi Tinggi Laser

Sejak kelahiran laser pertama pada tahun 1960, teknologi laser telah digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang fizik, seperti komunikasi laser, spektroskopi laser, pedal gas zarah laser dan interferometri laser. Dalam kajian eksperimen fizik atom dan molekul dan optik, prestasi laser menentukan keupayaan seseorang untuk memanipulasi zarah mikroskopik seperti atom dan molekul. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan perkembangan sains dan teknologi kuantum, keperluan eksperimen saintifik untuk laser telah dipertingkatkan lagi. Sebagai contoh, untuk memanipulasi keadaan kuantum atom dengan tepat dan merealisasikan get logik kuantum ketepatan tinggi, orang memerlukan laser dengan frekuensi mutlak yang stabil dan hingar fasa yang sangat rendah. Untuk menghapuskan hanyutan frekuensi laser, tiga ahli fizik, Robert Pound, Ronald Drever, dan John Hall (pendek kata PDH), membangunkan kaedah berdasarkan teknik modulasi-penyahmodulasi untuk mengunci frekuensi laser ke rongga optik Fabry-Perot. . Kaedah ini amat berkesan dalam menekan frekuensi rendah (<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.

Rajah 1 Gambarajah skematik peranti eksperimen serta gambarajah kesan. (a) Peranti penstabilan kekerapan maklum balas PDH biasa (kawasan latar belakang putih) dan peranti pembatalan hingar fasa suapan PDH (kawasan berlorek biru). (b) Spektrum perbezaan luaran antara cahaya keluaran dan cahaya yang dihantar dari rongga super-stabil. Spektrum merah ialah spektrum terpencil apabila suapan hadapan PDH tidak digunakan, dan warna biru ialah spektrum terpencil apabila suapan hadapan PDH digunakan.
Baru-baru ini, teknik baharu untuk pembatalan hingar fasa laser telah dibangunkan oleh kumpulan Mung-Kun Cheng-Yuli di Jabatan Fizik, Universiti Tsinghua, yang mencapai sehingga empat urutan penindasan magnitud hingar fasa frekuensi tinggi dalam julat MHz , iaitu satu hingga dua susunan magnitud lebih baik daripada semua kaedah pembatalan hingar fasa maklum balas/fasa hadapan berasaskan suapan. Kaedah ini adalah lanjutan pintar teknik penstabilan frekuensi PDH klasik. Mereka mendapati bahawa apabila menggunakan maklum balas PDH untuk mengunci frekuensi laser ke rongga super-stabil, isyarat ralat yang tinggal adalah berkadar dengan peralihan fasa laser masa nyata di rantau frekuensi tinggi. Akibatnya, mereka mencadangkan skim suapan ke hadapan baharu dengan menambahkan bahagian gentian optik sepuluh meter pada persediaan teknologi PDH asal untuk melambatkan medan cahaya laser, mengimbangi kelewatan masa yang diperkenalkan oleh proses penjanaan isyarat ralat PDH, dan kemudian menggunakan isyarat PDH ini pada kristal elektro-optik yang memodulasi fasa medan cahaya untuk mengeluarkan hingar fasa laser (Rajah 1).

Rajah 2 Lengkung variasi pekali pembatalan hingar fasa dengan kekerapan hingar untuk kaedah suapan PDH. Titik merah dalam rajah menunjukkan data terukur eksperimen, dan garis pepejal hijau menunjukkan nilai teori pekali pembatalan hingar fasa oleh kaedah penapisan rongga optik.
Pasukan penyelidik mengukur kesan penindasan kaedah suapan PDH untuk hingar fasa pada frekuensi yang berbeza dan mendapati kaedah itu boleh menekan bunyi fasa laser dengan cekap sehingga 20 MHz dengan penjelasan teori (Rajah 2). Untuk frekuensi yang lebih rendah, mereka mendapati bahawa kaedah suapan hadapan adalah bersamaan dengan kaedah penapisan rongga optik, tetapi tidak mengehadkan kuasa laser yang dihantar seteruk yang terakhir. Untuk frekuensi yang lebih tinggi, keberkesanan kaedah boleh dipertingkatkan lagi dengan mengecilkan kesan serakan elektronik. Perlu dinyatakan bahawa litar yang digunakan untuk menguatkan isyarat ralat untuk menjana isyarat suapan hadapan dalam kerja ini telah dibangunkan dan direka oleh ahli pasukan, yang meletakkan asas yang kukuh untuk kerja itu dipopularkan dan diaplikasikan lagi.
Pengulas mengulas tinggi tentang kerja ini: "Teknik PDH digunakan secara meluas dalam banyak bidang, termasuk metrologi frekuensi masa, spektroskopi, dan fizik atom. Kajian menyekat hingar fasa laser dalam julat frekuensi MHz telah mendapat banyak perhatian dan penting. untuk pelbagai aplikasi. Digabungkan dengan teknik mudah yang dibentangkan dalam kertas kerja ini, saya percaya bahawa penyelidikan ini akan memberi impak yang luas dan boleh mendorong penggunaan meluas skim ke hadapan." Penyelidikan itu diterbitkan di bawah tajuk "Pound-Drever-Hall feedforward: laser phase noise suppression beyond feedback" pada 9 Julai 2024 dalam jurnal optik Optica.