Departamento de Física de Tsinghua faz progresso importante na tecnologia de cancelamento de ruído de fase de alta frequência a laser

Desde o nascimento do primeiro laser em 1960, a tecnologia laser tem sido amplamente utilizada em vários campos da física, como comunicação a laser, espectroscopia a laser, pedais de gás de partículas a laser e interferometria a laser. Em estudos experimentais de física atômica, molecular e óptica, o desempenho dos lasers determina a capacidade de alguém de manipular partículas microscópicas, como átomos e moléculas. Nos últimos anos, com o desenvolvimento da ciência e tecnologia quânticas, os requisitos de experimentos científicos para lasers foram ainda mais aprimorados. Por exemplo, para manipular precisamente o estado quântico dos átomos e realizar portas lógicas quânticas de alta precisão, as pessoas precisam de lasers com frequência absoluta estável e ruído de fase extremamente baixo. Para eliminar o desvio de frequência dos lasers, três físicos, Robert Pound, Ronald Drever e John Hall (PDH para abreviar), desenvolveram um método baseado em uma técnica de modulação-desmodulação para bloquear a frequência do laser em uma cavidade óptica de Fabry-Perot. O método é extremamente eficaz na supressão de baixa frequência (<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.

Fig. 1 Diagrama esquemático do dispositivo experimental, bem como o diagrama de efeito. (a) Dispositivo típico de estabilização de frequência de feedback PDH (área de fundo branco) e dispositivo de cancelamento de ruído de fase de feedforward PDH (área sombreada em azul). (b) Espectro da diferença externa entre a luz de saída e a luz transmitida da cavidade superestabilizada. O espectro vermelho é o espectro atípico quando o feedforward PDH não é usado, e o azul é o espectro atípico quando o feedforward PDH é usado.
Recentemente, uma nova técnica para cancelamento de ruído de fase de laser foi desenvolvida pelo grupo Mung-Kun Cheng-Yuli no Departamento de Física da Universidade de Tsinghua, que atinge até quatro ordens de magnitude de supressão de ruído de fase de alta frequência na faixa de MHz, o que é uma a duas ordens de magnitude melhor do que todos os métodos anteriores de cancelamento de ruído de fase baseados em feedback/feedforward. O método é uma extensão inteligente da técnica clássica de estabilização de frequência PDH. Eles descobriram que, ao usar o feedback PDH para bloquear a frequência do laser na cavidade superestabilizada, o sinal de erro restante é proporcional à mudança de fase do laser em tempo real na região de alta frequência. Como resultado, eles propuseram um novo esquema de feed-forward adicionando uma seção de dez metros de fibra óptica à configuração original da tecnologia PDH para atrasar o campo de luz do laser, compensando o atraso de tempo introduzido pelo processo de geração de sinal de erro PDH e, em seguida, aplicando esse sinal PDH a um cristal eletro-óptico que modula a fase do campo de luz para remover o ruído de fase do laser (Fig. 1).

Fig. 2 Curva de variação do coeficiente de cancelamento de ruído de fase com frequência de ruído para o método PDH feedforward. Os pontos vermelhos na figura mostram os dados experimentais medidos, e a linha sólida verde mostra o valor teórico do coeficiente de cancelamento de ruído de fase pelo método de filtragem de cavidade óptica.
A equipe de pesquisa mediu o efeito de supressão do método de feedforward PDH para ruído de fase em diferentes frequências e descobriu que o método pode suprimir eficientemente o ruído de fase do laser até 20 MHz com uma explicação teórica (Figura 2). Para frequências mais baixas, eles descobriram que o método de feedforward é equivalente ao método de filtragem de cavidade óptica, mas não limita a potência do laser transmitida tão severamente quanto este último. Para frequências mais altas, a eficácia do método pode ser ainda mais aprimorada ao estreitar o efeito de dispersão da eletrônica. Vale a pena mencionar que os circuitos usados ​​para amplificar os sinais de erro para gerar sinais de feedforward neste trabalho foram desenvolvidos e projetados pelos membros da equipe, o que estabelece uma base sólida para que o trabalho seja ainda mais popularizado e aplicado.
O revisor comentou muito sobre este trabalho: "A técnica PDH é amplamente usada em muitos campos, incluindo metrologia de tempo-frequência, espectroscopia e física atômica. O estudo da supressão do ruído de fase do laser na faixa de frequência de MHz recebeu muita atenção e é importante para inúmeras aplicações. Combinado com as técnicas simples apresentadas neste artigo, acredito que esta pesquisa terá um amplo impacto e pode impulsionar o uso generalizado de esquemas de feedforward." A pesquisa foi publicada sob o título "Pound-Drever-Hall feedforward: supressão de ruído de fase do laser além do feedback" em 9 de julho de 2024 no periódico de óptica Optica.