Forskere præsenterer et forenklet, forbedret skema til præcisionsmåling ved hjælp af lasere

Inden for atom- og laserfysiksamfund er videnskabsmanden John "Jan" Hall blevet en nøglefigur i historien om laserfrekvensstabilisering og præcisionsmåling ved hjælp af lasere. Halls arbejde drejede sig om at forstå og manipulere stabile lasere på måder, der var revolutionerende for deres tid. Hans arbejde lagde et teknisk grundlag for at måle en lille brøkdel af afstandsændring bragt af en forbigående gravitationsbølge. Hans arbejde med laserarrays gav ham Nobelprisen i fysik i 2005.

Med udgangspunkt i dette fundament, begyndte JILA og NIST-stipendiat Jun Ye og hans team på en ambitiøs rejse for at rykke grænserne for præcisionsmåling endnu længere. Denne gang vendte deres fokus mod en specialiseret teknik kendt som Pound-Drever-Hall (PDH) metoden (udviklet af forskerne R. V. Pound, Ronald Drever og Hall selv), som spiller en stor rolle i præcis optisk interferometri og laserfrekvensstabilisering .

Mens fysikere har brugt PDH-metoden i årtier for at sikre, at deres laserfrekvens er stabilt "låst" til en kunstig eller kvantereference, kan en begrænsning, der opstår fra selve frekvensmodulationsprocessen, kaldet residual amplitude modulation (RAM), stadig påvirke stabiliteten og nøjagtighed af laserens målinger.

I en nylig Optica papir, Ye's team, i samarbejde med JILA elektroniske medarbejder Ivan Ryger og Hall, implementerede en ny tilgang til PDH-metoden, der reducerede RAM til aldrig før sete minimale niveauer, samtidig med at systemet blev mere robust og enklere.

Da PDH-teknikken er implementeret i forskellige eksperimenter, fra gravitationsbølgeinterferometre til optiske ure, giver en forbedring af den yderligere fremskridt inden for en række videnskabelige områder.

Et dyk ned i laser-'låsning'

Siden udgivelsen i 1983 er PDH-metoden blevet citeret og brugt tusindvis af gange. "Opsætning af en PDH-lås er noget, du måske kan lære i et bachelor-laboratoriekursus; det er bare hvor centralt det er at udføre alle de eksperimenter, vi laver i atomfysik," forklarede nyligt tildelt ph.d. kandidat Dhruv Kedar, avisens medførsteforfatter.

PDH-metoden bruger en frekvensmodulationstilgang til præcist at måle laserfrekvensen eller faseudsvingene. Frekvensmodulationen tilføjer specielle "sidebånd" (eller yderligere lyssignaler) omkring en hovedlysstråle, kendt som "bæreren".

Sammenligning af disse sidebånd med hovedbæreren hjælper med at måle eventuelle små ændringer i frekvensen eller fasen af ​​hovedlysstrålen i forhold til en reference. Denne teknik er især nyttig, fordi den er meget følsom og kan afvise uønsket støj og fejl.

Fysikere kan derefter bruge disse kombinerede lysstråler til at undersøge forskellige miljøer, såsom et optisk hulrum lavet af spejle. For at gøre dette skal forskerne "låse" laseren til hulrummet eller få den til at sondere hulrummet ved en bestemt frekvens.

"Det betyder, at du prøver at låse din laser til midten af ​​din resonans," tilføjede Kedar. Dette gør det muligt for laseren at nå avancerede stabilitetsniveauer, hvilket især er vigtigt, når man forsøger at aflæse små ændringer i den optiske længde eller overvåge kvantedynamik, såsom energiskift eller spinændringer i atomer og molekyler.

Desværre betyder "låsning" af en laser ikke altid, at den forbliver stabil eller "i resonans med midten af ​​det optiske hulrum, da støj som RAM kan ændre de relative forskydninger af referencelysstrålerne og introducere frekvensskift," co-first. forfatter og JILA Postdoc Zhibin Yao uddybet. "RAM'en kan forurene dit PDH-fejlsignal."

Som JILA-forskerne hurtigt indså, sammen med resten af ​​laserfysiksamfundet, er reduktion af denne RAM afgørende for at forbedre stabiliteten af ​​PDH-teknikken og til gengæld deres lasermålinger. At overvinde RAM-problemet har været en lang rejse, men den nye tilgang ville gøre kampen meget lettere.

Reduktion af RAM via EOM'er og AOM'er

De to-referencelys "sidebånd" er afgørende for PDH låsemetoden. For at generere "sidebåndene" var JILA-forskerne nødt til at bruge en frekvensmodulator, enten en elektrooptisk modulator (EOM) eller en akustooptisk modulator (AOM).

Historisk set er EOM'er blevet anvendt i forskellige optiske systemer ved at anvende elektriske felter på optiske krystaller for at ændre fasen af ​​laserlys, der kommer gennem krystallen. Når et elektrisk felt påføres visse typer krystaller, modulerer det laserfasen ved at ændre krystallens brydningsindeks. Denne proces gør det muligt for EOM'er nemt at tilføje sidebånd til bærestrålen.

Den effektive fasemodulation af krystallen, der bruges i EOM'er, ændres dog let af miljøudsving, hvilket introducerer RAM i PDH-fejlsignalet og gør det derfor mindre stabilt. I sammenhænge, ​​hvor der kræves ultrahøj præcision, såsom at køre en optisk tidsskala eller betjene et atomur, kan selv små mængder RAM introducere udsving på uønskede niveauer.

"EOM'er tilføjer sidebånd til bærelaseren i det optiske domæne, hvilket er mere udfordrende for os at kontrollere," forklarede Kedar. "Så i stedet kan vi forsøge at generere disse sidebånd i det elektroniske domæne og oversætte dem til det optiske ved at bruge en AOM."

AOM'er repræsenterer en nyere tilgang til at reducere RAM ved at bruge lydbølger til at modulere laserlyset. Når en lydbølge forplanter sig gennem en krystal eller et gennemsigtigt medium, skaber den et diffraktionsmønster, der bøjer laserlyset i forskellige mængder. Når en lysstråle passerer gennem dette lydbølge-ændrede medium, virker variationerne i brydningsindekset som en række små prismer, der ændrer banen og dermed lysets frekvens.

Kedar tilføjede:"Hvis du vil kontrollere amplituden af ​​hvert sidebånd, kontrollerer du amplituden af ​​hovedtonen, som du genererer i mikrobølgedomænet via AOM." Fordi AOM ikke modulerer laserfrekvensen baseret på den elektro-optiske effekt, producerer den meget mindre RAM-støj end EOM, hvilket reducerer systemets samlede RAM-niveau. Alle strålerne, der kommer ud af AOM-krystallen, kan kombineres i en enkelt optisk fiber, hvilket sætter alle frekvensforskydningsstråler i en enkelt, fælles rumlig tilstandsprofil.

Sammenligning af EOM og AOM

For at måle fordelene ved denne nye PDH-tilgang kørte Kedar, Yao, Ye og resten af ​​holdet et eksperiment ved at bruge den traditionelle EOM og deres forbedrede AOM-opsætning og sammenlignede resultaterne. De fandt ud af, at med AOM kunne de reducere RAM-niveauerne til en lille brøkdel af dele pr. million. Lige så vigtigt tillader denne fremgangsmåde meget mere fleksibilitet ved styring af relativ styrke mellem bæreren og to sidebånd. AOM-fordelen er meget mere indlysende, når transportøren bliver forsvindende lille.

"I stedet for dele pr. million, kan du gøre som 0,2 dele pr. million, hvilket virker som en lille forbedring, men det er lidt på vej mod grænsen for acceptable niveauer af RAM for os," sagde Kedar. "Selvom dette RAM-niveau er så lille, er det stadig en væsentlig vejspærring for at forbedre vores hulrum og gøre dem lidt bedre. Den ekstra faktor på to eller tre er enormt nyttig til at skubbe grænserne for avanceret laserstabilisering. "

Den simple implementering af AOM i stedet for EOM antyder et svar, selv Hall ville være stolt af. "Det er simpelt nok, at nogen i princippet kan se på dette skema og se det som en naturlig metode til at afhøre et spektralt træk," sagde Kedar. "I sidste ende taler dette til den forskningsstil, som Jan og Jun begge skaber:en meget elegant, enkel løsning."

Flere oplysninger: Dhruv Kedar et al., Syntetisk FM-triplet til AM-fri præcisionslaserstabilisering og spektroskopi, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.507655

Journaloplysninger: Optica

Leveret af JILA