Departemen Fisika Tsinghua Membuat Kemajuan Penting dalam Teknologi Pembatalan Kebisingan Fase Frekuensi Tinggi Laser

Sejak kelahiran laser pertama pada tahun 1960, teknologi laser telah banyak digunakan dalam berbagai bidang fisika, seperti komunikasi laser, spektroskopi laser, pedal gas partikel laser, dan interferometri laser. Dalam studi eksperimental fisika atom, molekul, dan optik, kinerja laser menentukan kemampuan seseorang untuk memanipulasi partikel mikroskopis seperti atom dan molekul. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi kuantum, persyaratan eksperimen ilmiah untuk laser telah lebih ditingkatkan. Misalnya, untuk memanipulasi keadaan kuantum atom secara tepat dan mewujudkan gerbang logika kuantum presisi tinggi, orang membutuhkan laser dengan frekuensi absolut yang stabil dan derau fase yang sangat rendah. Untuk menghilangkan pergeseran frekuensi laser, tiga fisikawan, Robert Pound, Ronald Drever, dan John Hall (disingkat PDH), mengembangkan metode berdasarkan teknik modulasi-demodulasi untuk mengunci frekuensi laser ke rongga optik Fabry-Perot. Metode ini sangat efektif dalam menekan frekuensi rendah (<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.

Gambar 1 Diagram skema perangkat eksperimen serta diagram efek. (a) Perangkat stabilisasi frekuensi umpan balik PDH yang umum (area latar belakang putih) dan perangkat peredam derau fase umpan maju PDH (area berbayang biru). (b) Spektrum perbedaan eksternal antara cahaya keluaran dan cahaya yang dipancarkan dari rongga yang sangat stabil. Spektrum merah adalah spektrum outlier saat umpan maju PDH tidak digunakan, dan biru adalah spektrum outlier saat umpan maju PDH digunakan.
Baru-baru ini, teknik baru untuk pembatalan derau fase laser telah dikembangkan oleh kelompok Mung-Kun Cheng-Yuli di Departemen Fisika, Universitas Tsinghua, yang mencapai penekanan derau fase frekuensi tinggi hingga empat orde besaran dalam rentang MHz, yang satu hingga dua orde besaran lebih baik daripada semua metode pembatalan derau fase berbasis umpan balik/umpan maju sebelumnya. Metode ini merupakan perluasan cerdas dari teknik stabilisasi frekuensi PDH klasik. Mereka menemukan bahwa saat menggunakan umpan balik PDH untuk mengunci frekuensi laser ke rongga superstabil, sinyal kesalahan yang tersisa sebanding dengan pergeseran fase laser waktu nyata di wilayah frekuensi tinggi. Hasilnya, mereka mengusulkan skema umpan maju baru dengan menambahkan bagian serat optik sepanjang sepuluh meter ke pengaturan teknologi PDH asli untuk menunda medan cahaya laser, mengompensasi penundaan waktu yang diperkenalkan oleh proses pembuatan sinyal kesalahan PDH, dan kemudian menerapkan sinyal PDH ini ke kristal elektro-optik yang memodulasi fase medan cahaya untuk menghilangkan derau fase laser (Gbr. 1).

Gambar 2 Kurva variasi koefisien peredaman derau fase dengan frekuensi derau untuk metode umpan maju PDH. Titik-titik merah pada gambar menunjukkan data terukur secara eksperimen, dan garis hijau solid menunjukkan nilai teoritis koefisien peredaman derau fase dengan metode penyaringan rongga optik.
Tim peneliti mengukur efek penekanan metode umpan maju PDH untuk derau fase pada frekuensi yang berbeda dan menemukan bahwa metode tersebut dapat secara efisien menekan derau fase laser hingga 20 MHz dengan penjelasan teoritis (Gambar 2). Untuk frekuensi yang lebih rendah, mereka menemukan bahwa metode umpan maju setara dengan metode penyaringan rongga optik, tetapi tidak membatasi daya laser yang ditransmisikan seketat yang terakhir. Untuk frekuensi yang lebih tinggi, efektivitas metode dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan mempersempit efek dispersi elektronik. Perlu disebutkan bahwa rangkaian yang digunakan untuk memperkuat sinyal kesalahan untuk menghasilkan sinyal umpan maju dalam pekerjaan ini dikembangkan dan dirancang oleh anggota tim, yang meletakkan dasar yang kokoh bagi pekerjaan untuk dipopulerkan dan diterapkan lebih lanjut.
Peninjau memberikan komentar yang sangat positif tentang karya ini: "Teknik PDH digunakan secara luas di banyak bidang, termasuk metrologi waktu-frekuensi, spektroskopi, dan fisika atom. Studi tentang penekanan derau fase laser dalam rentang frekuensi MHz telah mendapat banyak perhatian dan penting untuk berbagai aplikasi. Dikombinasikan dengan teknik-teknik sederhana yang disajikan dalam makalah ini, saya yakin bahwa penelitian ini akan berdampak luas dan dapat mendorong penggunaan skema umpan maju secara luas." Penelitian ini dipublikasikan dengan judul "Pound-Drever-Hall feedforward: laser phase noise suppression beyond feedback" pada tanggal 9 Juli 2024 di jurnal optik Optica.