Inom atom- och laserfysikgemenskaper har vetenskapsmannen John "Jan" Hall blivit en nyckelfigur i historien om laserfrekvensstabilisering och precisionsmätning med laser. Halls arbete kretsade kring att förstå och manipulera stabila lasrar på ett sätt som var revolutionerande för sin tid. Hans arbete lade en teknisk grund för att mäta en liten bråkdel av avståndsförändring som orsakas av en passerande gravitationsvåg. Hans arbete med lasermatriser gav honom Nobelpriset i fysik 2005.
Med utgångspunkt i denna grund, påbörjade JILA och NIST Fellow Jun Ye och hans team en ambitiös resa för att tänja på gränserna för precisionsmätning ännu längre. Den här gången fokuserade de på en specialiserad teknik känd som Pound-Drever-Hall-metoden (PDH) (utvecklad av forskarna R. V. Pound, Ronald Drever och Hall själv), som spelar en stor roll i optisk precisionsinterferometri och laserfrekvensstabilisering .
Medan fysiker har använt PDH-metoden i årtionden för att säkerställa att deras laserfrekvens är stabilt "låst" till en artificiell eller kvantreferens, kan en begränsning som härrör från själva frekvensmoduleringsprocessen, kallad restamplitudmodulering (RAM), fortfarande påverka stabiliteten och noggrannhet av laserns mätningar.
I en nyligen publicerad Optica papper, implementerade Yes team, i samarbete med JILA elektroniska personal Ivan Ryger och Hall, ett nytt tillvägagångssätt för PDH-metoden, vilket minskade RAM-minnet till aldrig tidigare skådade minimala nivåer samtidigt som systemet blev mer robust och enklare.
Eftersom PDH-tekniken implementeras i olika experiment, från gravitationsvågsinterferometrar till optiska klockor, erbjuder förbättringar ytterligare framsteg inom en rad vetenskapliga områden.
Sedan den publicerades 1983 har PDH-metoden citerats och använts tusentals gånger. "Att sätta upp ett PDH-lås är något du kan lära dig i en labbkurs på grundnivå; det är precis hur centralt det är att göra alla experiment vi gör inom atomfysik", förklarade nyligen tilldelad doktorsexamen. kandidat Dhruv Kedar, tidningens första författare.
PDH-metoden använder en frekvensmoduleringsmetod för att exakt mäta laserfrekvensen eller fasfluktuationerna. Frekvensmoduleringen lägger till speciella "sidband" (eller ytterligare ljussignaler) runt en huvudljusstråle, känd som "bärvåg".
Jämförelse av dessa sidband mot huvudbärvågen hjälper till att mäta alla små förändringar i frekvensen eller fasen för huvudljusstrålen i förhållande till en referens. Denna teknik är särskilt användbar eftersom den är mycket känslig och kan avvisa oönskat brus och fel.
Fysiker kan sedan använda dessa kombinerade ljusstrålar för att undersöka olika miljöer, till exempel en optisk kavitet gjord av speglar. För att göra detta måste forskarna "låsa" lasern till kaviteten eller låta den undersöka kaviteten vid en viss frekvens.
"Vad det betyder är att du försöker låsa din laser till mitten av din resonans," tillade Kedar. Detta gör att lasern kan nå toppmoderna stabilitetsnivåer, vilket är särskilt viktigt när man försöker reta ut små förändringar i den optiska längden eller övervaka kvantdynamiken, såsom energiskiften eller spinnförändringar i atomer och molekyler.
Att "låsa" en laser betyder tyvärr inte alltid att den förblir stabil eller "i resonans med mitten av den optiska kaviteten, eftersom brus som RAM kan ändra de relativa förskjutningarna av referensljusstrålarna och introducera frekvensförskjutning," co-first. författaren och JILA Postdoc Zhibin Yao utvecklade. "RAM-minnet kan kontaminera din PDH-felsignal."
Som JILA-forskarna snabbt insåg, tillsammans med resten av laserfysikgemenskapen, är det avgörande att minska detta RAM-minne för att förbättra stabiliteten hos PDH-tekniken och i sin tur deras lasermätningar. Att övervinna RAM-problemet har varit en lång resa, men det nya tillvägagångssättet skulle göra kampen mycket lättare.
"Sidobanden" med två referensljus är väsentliga för PDH-låsningsmetoden. För att generera "sidobanden" behövde JILA-forskarna använda en frekvensmodulator, antingen en elektrooptisk modulator (EOM) eller en akustooptisk modulator (AOM).
Historiskt har EOM använts i olika optiska system genom att applicera elektriska fält på optiska kristaller för att ändra fasen av laserljus som kommer genom kristallen. När ett elektriskt fält appliceras på vissa typer av kristaller, modulerar det laserfasen genom att ändra kristallens brytningsindex. Denna process gör det möjligt för EOMs att enkelt lägga till sidband till bärarstrålen.
Den effektiva fasmoduleringen av kristallen som används i EOM ändras lätt av omgivningsfluktuationer, vilket introducerar RAM i PDH-felsignalen och gör den följaktligen mindre stabil. I sammanhang där ultrahög precision krävs, som att köra en optisk tidsskala eller använda en atomklocka, kan även små mängder RAM-minne introducera fluktuationer på oönskade nivåer.
"EOMs lägger till sidoband till bärarlasern i den optiska domänen, vilket är mer utmanande för oss att kontrollera," förklarade Kedar. "Så istället kan vi försöka generera dessa sidband i den elektroniska domänen och översätta dem till den optiska genom att använda en AOM."
AOM representerar ett nyare tillvägagångssätt för att minska RAM genom att använda ljudvågor för att modulera laserljuset. När en ljudvåg fortplantar sig genom en kristall eller ett transparent medium skapar den ett diffraktionsmönster som böjer laserljuset i olika mängder. När en ljusstråle passerar genom detta ljudvågsförändrade medium, fungerar variationerna i brytningsindex som en serie små prismor, som förändrar vägen och därmed ljusets frekvens.
Kedar tillade, "Om du vill kontrollera amplituden för varje sidband, styr du amplituden för huvudtonen som du genererar i mikrovågsdomänen via AOM." Eftersom AOM inte modulerar laserfrekvensen baserat på den elektrooptiska effekten, producerar den mycket mindre RAM-brus än EOM, vilket minskar systemets totala RAM-nivå. Alla strålar som kommer ut ur AOM-kristallen kan kombineras i en enda optisk fiber, vilket sätter alla frekvensskiftstrålar i en enda, gemensam rumslig lägesprofil.
För att mäta fördelarna med denna nya PDH-metod körde Kedar, Yao, Ye och resten av teamet ett experiment med den traditionella EOM och deras förbättrade AOM-inställning och jämförde resultaten. De fann att med AOM kunde de minska RAM-nivåerna till en liten bråkdel av delar per miljon. Lika viktigt medger detta tillvägagångssätt mycket mer flexibilitet vid styrning av den relativa styrkan mellan bäraren och två sidband. AOM-fördelen är mycket mer uppenbar när bäraren blir försvinnande liten.
"Istället för delar per miljon kan du göra som 0,2 delar per miljon, vilket verkar som en liten förbättring, men det är på ett sätt som går över gränsen för acceptabla nivåer av RAM för oss," sa Kedar. "Även om den här RAM-nivån är så liten, är den fortfarande en betydande vägspärr för att förbättra våra hålrum och göra dem något bättre. Den extra faktorn två eller tre är enormt hjälpsam för att tänja på gränserna för toppmodern laserstabilisering. "
Den enkla implementeringen av AOM istället för EOM föreslår ett svar som även Hall skulle vara stolt över. "Det är tillräckligt enkelt att i princip kan någon titta på det här schemat och se det som en naturlig metod för att förhöra ett spektraldrag," sa Kedar. "I slutändan talar detta för den forskningsstil som Jan och Jun båda skapar:en mycket elegant, enkel lösning."
Mer information: Dhruv Kedar et al, Syntetisk FM-triplett för AM-fri precisionslaserstabilisering och spektroskopi, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.507655
Journalinformation: Optica
Tillhandahålls av JILA
