Il Dipartimento di Fisica di Tsinghua compie importanti progressi nella tecnologia di cancellazione del rumore di fase ad alta frequenza laser

Sin dalla nascita del primo laser nel 1960, la tecnologia laser è stata ampiamente utilizzata in vari campi della fisica, come la comunicazione laser, la spettroscopia laser, i pedali a gas a particelle laser e l'interferometria laser. Negli studi sperimentali di fisica atomica, molecolare e ottica, le prestazioni dei laser determinano la capacità di manipolare particelle microscopiche come atomi e molecole. Negli ultimi anni, con lo sviluppo della scienza e della tecnologia quantistica, i requisiti degli esperimenti scientifici per i laser sono stati ulteriormente migliorati. Ad esempio, per manipolare con precisione lo stato quantistico degli atomi e realizzare porte logiche quantistiche ad alta precisione, le persone hanno bisogno di laser con frequenza assoluta stabile e rumore di fase estremamente basso. Per eliminare la deriva di frequenza dei laser, tre fisici, Robert Pound, Ronald Drever e John Hall (PDH in breve), hanno sviluppato un metodo basato su una tecnica di modulazione-demodulazione per bloccare la frequenza laser su una cavità ottica Fabry-Perot. Il metodo è estremamente efficace nel sopprimere le basse frequenze (<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 Diagramma schematico del dispositivo sperimentale e diagramma dell'effetto. (a) Tipico dispositivo di stabilizzazione della frequenza di feedback PDH (area di sfondo bianco) e dispositivo di cancellazione del rumore di fase feed-forward PDH (area ombreggiata in blu). (b) Spettro della differenza esterna tra la luce in uscita e la luce trasmessa dalla cavità super-stabilizzata. Lo spettro rosso è lo spettro anomalo quando non viene utilizzato il feedforward PDH, e quello blu è lo spettro anomalo quando viene utilizzato il feedforward PDH.
Di recente, il gruppo Mung-Kun Cheng-Yuli del Dipartimento di Fisica dell'Università di Tsinghua ha sviluppato una nuova tecnica per la cancellazione del rumore di fase laser, che raggiunge fino a quattro ordini di grandezza di soppressione del rumore di fase ad alta frequenza nell'intervallo MHz, che è da uno a due ordini di grandezza migliore di tutti i precedenti metodi di cancellazione del rumore di fase basati su feedback/feedforward. Il metodo è un'estensione intelligente della classica tecnica di stabilizzazione della frequenza PDH. Hanno scoperto che quando si utilizza il feedback PDH per bloccare la frequenza laser sulla cavità super-stabilizzata, il segnale di errore rimanente è proporzionale allo spostamento di fase laser in tempo reale nella regione ad alta frequenza. Di conseguenza, hanno proposto un nuovo schema feed-forward aggiungendo una sezione di fibra ottica di dieci metri alla configurazione della tecnologia PDH originale per ritardare il campo di luce laser, compensando il ritardo temporale introdotto dal processo di generazione del segnale di errore PDH e quindi applicando questo segnale PDH a un cristallo elettro-ottico che modula la fase del campo di luce per rimuovere il rumore di fase laser (Fig. 1).

Fig. 2 Curva di variazione del coefficiente di cancellazione del rumore di fase con frequenza di rumore per il metodo feedforward PDH. I punti rossi nella figura mostrano i dati sperimentali misurati e la linea continua verde mostra il valore teorico del coefficiente di cancellazione del rumore di fase mediante il metodo di filtraggio della cavità ottica.
Il team di ricerca ha misurato l'effetto di soppressione del metodo feedforward PDH per il rumore di fase a diverse frequenze e ha scoperto che il metodo può sopprimere in modo efficiente il rumore di fase laser fino a 20 MHz con una spiegazione teorica (Figura 2). Per frequenze inferiori, hanno scoperto che il metodo feedforward è equivalente al metodo di filtraggio della cavità ottica, ma non limita la potenza laser trasmessa in modo così severo come quest'ultimo. Per frequenze più elevate, l'efficacia del metodo può essere ulteriormente migliorata restringendo l'effetto di dispersione dell'elettronica. Vale la pena menzionare che i circuiti utilizzati per amplificare i segnali di errore per generare segnali feedforward in questo lavoro sono stati sviluppati e progettati dai membri del team, il che getta solide basi affinché il lavoro venga ulteriormente divulgato e applicato.
Il revisore ha commentato molto bene questo lavoro: "La tecnica PDH è ampiamente utilizzata in molti campi, tra cui la metrologia tempo-frequenza, la spettroscopia e la fisica atomica. Lo studio della soppressione del rumore di fase laser nell'intervallo di frequenza MHz ha ricevuto molta attenzione ed è importante per numerose applicazioni. In combinazione con le semplici tecniche presentate in questo articolo, credo che questa ricerca avrà un ampio impatto e potrebbe guidare l'uso diffuso di schemi feedforward". La ricerca è stata pubblicata con il titolo "Pound-Drever-Hall feedforward: soppressione del rumore di fase laser oltre il feedback" il 9 luglio 2024 sulla rivista di ottica Optica.