Binnen de atoom- en laserfysica-gemeenschappen is wetenschapper John "Jan" Hall een sleutelfiguur geworden in de geschiedenis van laserfrequentiestabilisatie en precisiemetingen met behulp van lasers. Hall's werk draaide om het begrijpen en manipuleren van stabiele lasers op manieren die voor die tijd revolutionair waren. Zijn werk legde een technische basis voor het meten van een kleine fractionele afstandsverandering veroorzaakt door een passerende zwaartekrachtgolf. Zijn werk op het gebied van laserarrays leverde hem in 2005 de Nobelprijs voor de natuurkunde op.

Voortbouwend op deze basis begonnen JILA en NIST Fellow Jun Ye en zijn team aan een ambitieuze reis om de grenzen van precisiemetingen nog verder te verleggen. Deze keer richtte hun focus zich op een gespecialiseerde techniek die bekend staat als de Pound-Drever-Hall (PDH) -methode (ontwikkeld door wetenschappers R.V. Pound, Ronald Drever en Hall zelf), die een grote rol speelt bij nauwkeurige optische interferometrie en laserfrequentiestabilisatie. .

Hoewel natuurkundigen de PDH-methode al tientallen jaren gebruiken om ervoor te zorgen dat hun laserfrequentie stabiel wordt 'vergrendeld' op een kunstmatige of kwantumreferentie, kan een beperking die voortkomt uit het frequentiemodulatieproces zelf, genaamd residuele amplitudemodulatie (RAM), nog steeds de stabiliteit beïnvloeden en nauwkeurigheid van de lasermetingen.

In een recente Optica Op papier implementeerde Ye's team, in samenwerking met Ivan Ryger en Hall, een elektronisch medewerker van JILA, een nieuwe aanpak voor de PDH-methode, waarbij het RAM-geheugen werd teruggebracht tot nooit eerder geziene minimale niveaus, terwijl het systeem robuuster en eenvoudiger werd.

Naarmate de PDH-techniek wordt geïmplementeerd in verschillende experimenten, van zwaartekrachtgolfinterferometers tot optische klokken, biedt verbetering ervan verdere vooruitgang op een reeks wetenschappelijke gebieden.

Een duik in laser-'locking'

Sinds de publicatie ervan in 1983 is de PDH-methode duizenden keren geciteerd en gebruikt. "Het opzetten van een PDH-slot is iets dat je zou kunnen leren tijdens een niet-gegradueerde laboratoriumcursus; zo centraal staat het bij het uitvoeren van alle experimenten die we doen in de atoomfysica", legde de onlangs bekroonde Ph.D. kandidaat Dhruv Kedar, co-eerste auteur van het artikel.

De PDH-methode maakt gebruik van een frequentiemodulatiebenadering om de laserfrequentie of fasefluctuaties nauwkeurig te meten. De frequentiemodulatie voegt speciale "zijbanden" (of extra lichtsignalen) toe rond een hoofdlichtbundel, ook wel de "draaggolf" genoemd.

Vergelijking van deze zijbanden met de hoofddraaggolf helpt bij het meten van eventuele kleine veranderingen in de frequentie of fase van de hoofdlichtbundel ten opzichte van een referentie. Deze techniek is vooral handig omdat deze erg gevoelig is en ongewenste ruis en fouten kan onderdrukken.

Natuurkundigen kunnen deze gecombineerde lichtstralen vervolgens gebruiken om verschillende omgevingen te onderzoeken, zoals een optische holte gemaakt van spiegels. Om dit te doen, moeten de onderzoekers de laser aan de holte 'vergrendelen' of deze met een bepaalde frequentie de holte laten onderzoeken.

"Wat dat betekent is dat je je laser probeert te vergrendelen in het centrum van je resonantie," voegde Kedar eraan toe. Hierdoor kan de laser state-of-the-art stabiliteitsniveaus bereiken, wat vooral belangrijk is bij het opsporen van kleine veranderingen in de optische lengte of het monitoren van de kwantumdynamica, zoals energieverschuivingen of spinveranderingen in atomen en moleculen.

Helaas betekent het ‘vergrendelen’ van een laser niet altijd dat deze stabiel blijft of ‘in resonantie met het midden van de optische holte, omdat ruis zoals RAM de relatieve offsets van de referentielichtbundels kan veranderen en frequentieverschuiving introduceert’. auteur en JILA Postdoc Zhibin Yao uitgewerkt. "Het RAM-geheugen kan uw PDH-foutsignaal besmetten."

Zoals de JILA-onderzoekers zich snel realiseerden, samen met de rest van de laserfysica-gemeenschap, is het verminderen van dit RAM-geheugen cruciaal voor het verbeteren van de stabiliteit van de PDH-techniek en, op zijn beurt, hun lasermetingen. Het overwinnen van het RAM-probleem was een lange reis, maar de nieuwe aanpak zou de strijd veel gemakkelijker maken.

RAM verminderen via EOM's en AOM's

De "zijbanden" met twee referentielichten zijn essentieel voor de PDH-vergrendelingsmethode. Om de 'zijbanden' te genereren, moesten de JILA-onderzoekers een frequentiemodulator gebruiken, een elektro-optische modulator (EOM) of een akoestisch-optische modulator (AOM).

Historisch gezien zijn EOM's in verschillende optische systemen gebruikt door elektrische velden op optische kristallen aan te leggen om de fase van het laserlicht dat door het kristal komt te veranderen. Wanneer een elektrisch veld op bepaalde soorten kristallen wordt aangelegd, moduleert dit de laserfase door de brekingsindex van het kristal te veranderen. Dankzij dit proces kunnen EOM's eenvoudig zijbanden aan de draagbalk toevoegen.

De effectieve fasemodulatie van het kristal dat in EOM's wordt gebruikt, wordt echter gemakkelijk gewijzigd door omgevingsfluctuaties, waardoor RAM in het PDH-foutsignaal wordt geïntroduceerd en het daardoor minder stabiel wordt. In contexten waar ultrahoge precisie vereist is, zoals het uitvoeren van een optische tijdschaal of het bedienen van een atoomklok, kunnen zelfs minuscule hoeveelheden RAM fluctuaties op ongewenste niveaus introduceren.

"EOM's voegen zijbanden toe aan de dragerlaser in het optische domein, wat voor ons een grotere uitdaging is om te controleren", legt Kedar uit. "Dus in plaats daarvan kunnen we proberen deze zijbanden in het elektronische domein te genereren en ze naar het optische domein te vertalen met behulp van een AOM."

AOM's vertegenwoordigen een nieuwere benadering om RAM te verminderen door geluidsgolven te gebruiken om het laserlicht te moduleren. Wanneer een geluidsgolf zich door een kristal of een transparant medium voortplant, ontstaat er een diffractiepatroon dat het laserlicht in verschillende hoeveelheden buigt. Terwijl een lichtstraal door dit door geluidsgolven veranderde medium gaat, werken de variaties in de brekingsindex als een reeks kleine prisma's, waardoor het pad en dus de frequentie van het licht veranderen.

Kedar voegde eraan toe:"Als je de amplitude van elke zijband wilt regelen, regel je de amplitude van de hoofdtoon die je via de AOM in het microgolfdomein genereert." Omdat de AOM de laserfrequentie niet moduleert op basis van het elektro-optische effect, produceert deze veel minder RAM-ruis dan EOM, waardoor het totale RAM-niveau van het systeem wordt verminderd. Alle bundels die uit het AOM-kristal komen, kunnen worden gecombineerd in een enkele optische vezel, waardoor alle frequentieverschuivingsbundels in één enkel gemeenschappelijk ruimtelijk modusprofiel worden geplaatst.

EOM en AOM vergelijken

Om de voordelen van deze nieuwe PDH-aanpak te meten, voerden Kedar, Yao, Ye en de rest van het team een ​​experiment uit met behulp van de traditionele EOM en hun verbeterde AOM-opstelling en vergeleken de resultaten. Ze ontdekten dat ze met de AOM de RAM-niveaus konden terugbrengen tot een kleine fractie van delen per miljoen. Even belangrijk is dat deze aanpak veel meer flexibiliteit mogelijk maakt bij het regelen van de relatieve sterkte tussen de drager en twee zijbanden. Het AOM-voordeel is veel duidelijker wanneer de drager steeds kleiner wordt.

"In plaats van delen per miljoen kun je 0,2 delen per miljoen gebruiken, wat een kleine verbetering lijkt, maar dat is een beetje in de lijn van aanvaardbare RAM-niveaus voor ons", zei Kedar. "Ook al is dit RAM-niveau zo klein, het is nog steeds een belangrijke wegversperring om onze caviteiten te verbeteren en iets beter te maken. Die extra factor twee of drie is enorm behulpzaam bij het verleggen van de grenzen van de modernste laserstabilisatie. "

De eenvoudige implementatie van AOM in plaats van EOM suggereert een antwoord waar zelfs Hall trots op zou zijn. "Het is eenvoudig genoeg dat iemand in principe naar dit schema kan kijken en het kan zien als een natuurlijke methode om een ​​spectraal kenmerk te ondervragen," zei Kedar. "Uiteindelijk spreekt dit over de onderzoeksstijl die Jan en Jun beiden creëren:een zeer elegante, eenvoudige oplossing."

Meer informatie: Dhruv Kedar et al, Synthetisch FM-triplet voor AM-vrije precisielaserstabilisatie en spectroscopie, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.507655

Journaalinformatie: Optica

Geleverd door JILA