Tsinghua Fizik Bölümü Lazer Yüksek Frekanslı Faz Gürültüsü Önleme Teknolojisinde Önemli İlerlemeler Kaydetti

1960 yılında ilk lazerin doğumundan bu yana, lazer teknolojisi lazer iletişimi, lazer spektroskopisi, lazer parçacık gaz pedalları ve lazer interferometrisi gibi çeşitli fizik alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Atomik, moleküler ve optik fiziğin deneysel çalışmalarında, lazerlerin performansı atomlar ve moleküller gibi mikroskobik parçacıkları manipüle etme yeteneğini belirler. Son yıllarda, kuantum bilimi ve teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, lazerler için bilimsel deneylerin gereksinimleri daha da iyileştirildi. Örneğin, atomların kuantum durumunu hassas bir şekilde manipüle etmek ve yüksek hassasiyetli kuantum mantık kapıları gerçekleştirmek için, insanların kararlı mutlak frekansa ve son derece düşük faz gürültüsüne sahip lazerlere ihtiyacı vardır. Lazerlerin frekans kaymasını ortadan kaldırmak için, üç fizikçi, Robert Pound, Ronald Drever ve John Hall (kısaca PDH), lazer frekansını bir Fabry-Perot optik boşluğuna kilitlemek için bir modülasyon-demodülasyon tekniğine dayanan bir yöntem geliştirdiler. Yöntem, düşük frekansı bastırmada son derece etkilidir (<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.

Şekil 1 Deneysel cihazın şematik diyagramı ve etki diyagramı. (a) Tipik PDH geri besleme frekans sabitleme cihazı (beyaz arka plan alanı) ve PDH ileri beslemeli faz gürültüsü iptal cihazı (mavi gölgeli alan). (b) Süper-stabilize boşluktan gelen çıkış ışığı ile iletilen ışık arasındaki dış farkın spektrumu. Kırmızı spektrum, PDH ileri beslemesi kullanılmadığında aykırı spektrumdur ve mavi, PDH ileri beslemesi kullanıldığında aykırı spektrumdur.
Son zamanlarda, Tsinghua Üniversitesi Fizik Bölümü'ndeki Mung-Kun Cheng-Yuli grubu tarafından, MHz aralığında yüksek frekanslı faz gürültüsünün dört büyüklük sırasına kadar bastırılmasını sağlayan yeni bir lazer faz gürültüsü iptal tekniği geliştirildi; bu, tüm önceki geri besleme/ileri besleme tabanlı faz gürültüsü iptal yöntemlerinden bir ila iki büyüklük sırası daha iyidir. Yöntem, klasik PDH frekans sabitleme tekniğinin akıllıca bir uzantısıdır. Lazer frekansını süper-stabilize edilmiş boşluğa kilitlemek için PDH geri beslemesi kullanıldığında, kalan hata sinyalinin yüksek frekans bölgesindeki gerçek zamanlı lazer faz kaymasıyla orantılı olduğunu buldular. Sonuç olarak, lazer ışık alanını geciktirmek, PDH hata sinyali üretim süreciyle ortaya çıkan zaman gecikmesini telafi etmek ve daha sonra bu PDH sinyalini ışık alanının fazını modüle eden ve lazer faz gürültüsünü ortadan kaldıran bir elektro-optik kristale uygulamak için orijinal PDH teknoloji kurulumuna on metrelik bir optik fiber bölümü ekleyerek yeni bir ileri beslemeli şema önerdiler (Şekil 1).

Şekil 2. PDH ileri besleme yöntemi için gürültü frekansına sahip faz gürültü iptal katsayısının değişim eğrisi. Şekildeki kırmızı noktalar deneysel olarak ölçülen verileri, yeşil dolu çizgi ise optik boşluk filtreleme yöntemi ile faz gürültü iptal katsayısının teorik değerini göstermektedir.
Araştırma ekibi, farklı frekanslarda faz gürültüsü için PDH ileri besleme yönteminin bastırma etkisini ölçtü ve yöntemin teorik bir açıklama ile 20 MHz'e kadar lazer faz gürültüsünü etkili bir şekilde bastırabileceğini buldu (Şekil 2). Daha düşük frekanslar için, ileri besleme yönteminin optik boşluk filtreleme yöntemine eşdeğer olduğunu, ancak iletilen lazer gücünü ikincisi kadar ciddi şekilde sınırlamadığını buldular. Daha yüksek frekanslar için, yöntemin etkinliği, elektroniğin dispersiyon etkisini daraltarak daha da artırılabilir. Bu çalışmada ileri besleme sinyalleri üretmek için hata sinyallerini yükseltmek için kullanılan devrelerin ekip üyeleri tarafından geliştirilip tasarlandığını belirtmekte fayda var; bu, çalışmanın daha da popüler hale gelmesi ve uygulanması için sağlam bir temel oluşturmaktadır.
İncelemeci bu çalışma hakkında şu yorumu yaptı: "PDH tekniği, zaman-frekans metrolojisi, spektroskopi ve atom fiziği dahil olmak üzere birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. MHz frekans aralığında lazer faz gürültüsünü bastırma çalışması çok ilgi görmüştür ve çok sayıda uygulama için önemlidir. Bu makalede sunulan basit tekniklerle birleştirildiğinde, bu araştırmanın geniş bir etkiye sahip olacağına ve ileri beslemeli şemaların yaygın kullanımını yönlendirebileceğine inanıyorum." Araştırma, 9 Temmuz 2024'te optik dergisi Optica'da "Pound-Drever-Hall ileri besleme: geri beslemenin ötesinde lazer faz gürültüsü bastırma" başlığıyla yayınlandı.