دپارتمان فیزیک Tsinghua پیشرفت مهمی در فناوری حذف نویز فاز فرکانس بالا دارد

از زمان تولد اولین لیزر در سال 1960، فناوری لیزر به طور گسترده ای در زمینه های مختلف فیزیک مانند ارتباطات لیزری، طیف سنجی لیزری، پدال های گاز ذرات لیزری و تداخل سنجی لیزری استفاده شده است. در مطالعات تجربی فیزیک اتمی و مولکولی و نوری، عملکرد لیزرها توانایی فرد را برای دستکاری ذرات میکروسکوپی مانند اتم ها و مولکول ها تعیین می کند. در سال‌های اخیر، با توسعه علم و فناوری کوانتومی، الزامات آزمایش‌های علمی برای لیزرها بیشتر بهبود یافته است. به عنوان مثال، برای دستکاری دقیق وضعیت کوانتومی اتم ها و دستیابی به گیت های منطقی کوانتومی با دقت بالا، افراد به لیزرهایی با فرکانس مطلق پایدار و نویز فاز بسیار کم نیاز دارند. به منظور از بین بردن رانش فرکانس لیزرها، سه فیزیکدان به نام‌های رابرت پاوند، رونالد درور و جان هال (به طور خلاصه PDH)، روشی مبتنی بر تکنیک مدولاسیون-دمدولاسیون برای قفل کردن فرکانس لیزر در حفره نوری Fabry-Pero توسعه دادند. . این روش در سرکوب فرکانس پایین بسیار موثر است (<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.

شکل 1 نمودار شماتیک دستگاه آزمایشی و همچنین نمودار اثر. (الف) دستگاه تثبیت کننده فرکانس بازخورد معمولی PDH (منطقه پس زمینه سفید) و دستگاه حذف نویز فاز پیشخور PDH (منطقه سایه دار آبی). (ب) طیف اختلاف خارجی بین نور خروجی و نور ارسالی از حفره فوق تثبیت شده. هنگامی که از پیشخور PDH استفاده نمی شود، طیف قرمز طیف پرت است و زمانی که از پیشخور PDH استفاده می شود، طیف آبی طیف پرت است.
اخیراً، یک تکنیک جدید برای حذف نویز فاز لیزری توسط گروه Mung-Kun Cheng-Yuli در دپارتمان فیزیک، دانشگاه Tsinghua ایجاد شده است که تا چهار مرتبه سرکوب نویز فاز با فرکانس بالا در محدوده مگاهرتز را به دست می‌آورد. ، که یک تا دو مرتبه بهتر از تمام روش های حذف نویز فاز مبتنی بر بازخورد/فید فوروارد قبلی است. این روش توسعه هوشمندانه تکنیک تثبیت فرکانس کلاسیک PDH است. آنها دریافتند که هنگام استفاده از بازخورد PDH برای قفل کردن فرکانس لیزر در حفره فوق تثبیت شده، سیگنال خطای باقیمانده متناسب با تغییر فاز لیزر در زمان واقعی در ناحیه فرکانس بالا است. در نتیجه، آنها با افزودن یک بخش ده متری فیبر نوری به راه اندازی اصلی فناوری PDH برای تأخیر در میدان نور لیزر، یک طرح پیشخور جدید پیشنهاد کردند، و تأخیر زمانی معرفی شده توسط فرآیند تولید سیگنال خطای PDH را جبران کرد. سپس این سیگنال PDH را به یک کریستال الکترواپتیکی که فاز میدان نور را تعدیل می کند تا نویز فاز لیزر را حذف کند، اعمال می کند (شکل 1).

شکل 2 منحنی تغییر ضریب حذف نویز فاز با فرکانس نویز برای روش پیشخور PDH. نقاط قرمز در شکل داده‌های اندازه‌گیری شده تجربی را نشان می‌دهند و خط جامد سبز مقدار نظری ضریب حذف نویز فاز را با روش فیلتر حفره نوری نشان می‌دهد.
تیم تحقیقاتی اثر سرکوبی روش پیش‌خور PDH را برای نویز فاز در فرکانس‌های مختلف اندازه‌گیری کرد و دریافت که این روش می‌تواند به طور موثر نویز فاز لیزر را تا 20 مگاهرتز با توضیح تئوری سرکوب کند (شکل 2). برای فرکانس‌های پایین‌تر، آن‌ها دریافتند که روش پیش‌خور معادل روش فیلتر حفره نوری است، اما توان لیزر ارسالی را به شدت مورد دوم محدود نمی‌کند. برای فرکانس‌های بالاتر، اثربخشی روش را می‌توان با محدود کردن اثر پراکندگی الکترونیک افزایش داد. شایان ذکر است که مدارهای مورد استفاده برای تقویت سیگنال‌های خطا برای تولید سیگنال‌های پیش‌خور در این کار توسط اعضای تیم توسعه و طراحی شده‌اند که پایه‌ای محکم برای محبوبیت و اعمال بیشتر کار ایجاد می‌کند.
بازبین در مورد این کار بسیار اظهار نظر کرد: "تکنیک PDH به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها از جمله اندازه گیری فرکانس زمان، طیف سنجی و فیزیک اتمی استفاده می شود. مطالعه سرکوب نویز فاز لیزر در محدوده فرکانس مگاهرتز بسیار مورد توجه قرار گرفته و مهم است. برای کاربردهای متعدد همراه با تکنیک‌های ساده ارائه‌شده در این مقاله، من معتقدم که این تحقیق تأثیر گسترده‌ای خواهد داشت و ممکن است باعث استفاده گسترده از طرح‌های پیش‌خور شود. این تحقیق با عنوان "فید فوروارد پاوند-درور-هال: سرکوب نویز فاز لیزر فراتر از بازخورد" در 9 جولای 2024 در مجله اپتیکا اپتیکا منتشر شد.