Tsinghua Física Departament Fa Important Progrés A Làser Alta freqüència Fase Soroll Cancel·lació Tecnologia

Since the birth of the first laser in 1960, laser technology has been widely used in various fields of physics, such as laser communication, laser spectroscopy, laser particle gas pedals and laser interferometry. In experimental studies of atomic and molecular and optical physics, the performance of lasers determines one's ability to manipulate microscopic particles such as atoms and molecules. In recent years, with the development of quantum science and technology, the requirements of scientific experiments for lasers have been further improved. For example, in order to precisely manipulate the quantum state of atoms and realize high-precision quantum logic gates, people need lasers with stable absolute frequency and extremely low phase noise. In order to eliminate the frequency drift of lasers, three physicists, Robert Pound, Ronald Drever, and John Hall (PDH for short), developed a method based on a modulation-demodulation technique to lock the laser frequency to a Fabry-Perot optical cavity. The method is extremely effective in suppressing low-frequency (<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 Esquemàtica diagrama del dispositiu experimental així com el diagrama efectes (a) PDH retroalimentació freqüència estabilització dispositiu (blanc fons àrea) i PDH fase soroll cancel·lació dispositiu (blau ombrejat àrea). (b) Espectre de la diferència externa entre la sortida llum i la llum transmesa de la cavitat superestabilitzada. El espectre vermell és el espectre atípic quan el PDH feedforward és no utilitzat, i el blau és el espectre atípic quan el PDH feedforward és utilitzat.
Recently, a new technique for laser phase noise cancellation has been developed by the Mung-Kun Cheng-Yuli group at the Department of Physics, Tsinghua University, which achieves up to four orders of magnitude suppression of high-frequency phase noise in the MHz range, which is one to two orders of magnitude better than all previous feedback/feedforward-based phase noise cancellation methods. The method is a clever extension of the classic PDH frequency stabilization technique. They found that when using PDH feedback to lock the laser frequency to the super-stabilized cavity, the remaining error signal is proportional to the real-time laser phase shift in the high-frequency region. As a result, they proposed a new feed-forward scheme by adding a ten-meter section of optical fiber to the original PDH technology setup to delay the laser light field, compensating for the time delay introduced by the PDH error signal generation process, and then applying this PDH signal to an electro-optical crystal that modulates the phase of the light field to remove the laser phase noise (Fig. 1).

Fig. 2 Variació corba de fase soroll cancel·lació coeficient amb soroll freqüència per el PDH feedforward mètode. El punts vermells en la figura mostra les dades mesurades experimentals, i la línia contínua verda mostra el valor teòric de la fase soroll cancel·lació coeficient per el mètode òptic cavitat filtratge.
L'equip d'investigació mesura la supressió efecte del PDH feedforward mètode per fase soroll a diferents freqüències i trobat que el mètode pot eficient suprimir làser fase soroll a 20 MHz amb una explicació teòrica (Figura 2). Per freqüències inferiors, ells trobar que el mètode d'alimentació és equivalent al el mètode de filtratge de cavitat òptica 2c però no limita la potència làser transmesa com severament com el últim. Per freqüències més altes, la eficàcia del mètode el mètode pot ser millorat per reduint el efecte de dispersió de la electrònica. Val la pena esmentar que els circuits utilitzats per amplificar els senyals d'error per generar senyals en a a treballar foren desenvolupats i dissenyats per els membres de l'equip, que estableix una base sòlida per el treball per ser popularitzat i aplicat.
El revisor va comentar altament sobre a a a "La tècnica PDH és àmpliament utilitzada en molts camps, incloent temps-freqüència metrologia, espectroscòpia, i física atòmica. El estudi de supressió làser fase soroll en el rang de freqüència de MHz ha rebut molta atenció i és important per nombroses aplicacions. Combinat amb les tècniques simples presentades en a a article, Jo crec que aquesta investigació tindrà un ampli impacte i pot conduir el generalitzat ús de esquemes de retroalimentació." La recerca va ser publicada sota el títol "Pound-Drever-Hall retroalimentació: làser fase soroll supressió més enllà retroalimentació" el juliol 9, 2024 a la òptica revista Òptica.