Tsinghua eðlisfræðideild gerir mikilvægar framfarir í leysirhátíðni fasa hávaðatækni

Frá fæðingu fyrsta leysirsins árið 1960 hefur leysitækni verið mikið notuð á ýmsum sviðum eðlisfræðinnar, svo sem leysisamskipti, leysirrófsgreiningu, leysikornagaspedala og leysitruflumælingar. Í tilraunarannsóknum á frumeinda- og sameinda- og ljóseðlisfræði ákvarðar frammistaða leysis getu manns til að meðhöndla smásæjar agnir eins og atóm og sameindir. Á undanförnum árum, með þróun skammtavísinda og tækni, hafa kröfur vísindalegra tilrauna fyrir leysir verið bættar enn frekar. Til dæmis, til þess að stjórna skammtaástandi atóma nákvæmlega og átta sig á skammtafræðihliðum með mikilli nákvæmni, þarf fólk leysir með stöðugri algertíðni og afar lágum fasa hávaða. Í því skyni að útrýma tíðnisreki leysis, þróuðu þrír eðlisfræðingar, Robert Pound, Ronald Drever og John Hall (í stuttu máli PDH), aðferð sem byggir á mótunar-afmótunartækni til að læsa leysitíðninni við Fabry-Perot sjónhol. . Aðferðin er einstaklega áhrifarík við að bæla niður lágtíðni (<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.

Mynd 1 Skýringarmynd af tilraunatækinu sem og áhrifamynd. (a) Dæmigert PDH endurgjöfartíðnistöðugleikabúnaður (hvítur bakgrunnssvæði) og PDH framsendingarfasahávaðadeyfingarbúnaður (blátt skyggt svæði). (b) Litróf ytri munar á útgangsljósi og sendu ljósi frá ofurstöðugleika holrúminu. Rauða litrófið er fráleita litrófið þegar PDH feedforward er ekki notað og blátt er outlier litrófið þegar PDH feedforward er notað.
Nýlega hefur verið þróuð ný tækni til að stöðva leysifasa hávaða af Mung-Kun Cheng-Yuli hópnum við eðlisfræðideild Tsinghua háskólans, sem nær allt að fjórum stærðargráðum bælingu á hátíðni fasa hávaða á MHz bilinu. , sem er einni til tveimur stærðargráðum betri en allar fyrri endurgjöf/feed-forward-undirstaða fasa hávaða afnám aðferðir. Aðferðin er snjöll framlenging á klassískri PDH tíðnistöðugleikatækni. Þeir komust að því að þegar PDH endurgjöf er notuð til að læsa leysistíðninni við ofurstöðugleika holrúmsins, er villumerkið sem eftir er í réttu hlutfalli við rauntíma leysir fasaskiptingu á hátíðnisvæðinu. Fyrir vikið lögðu þeir til nýtt framsendingarkerfi með því að bæta tíu metra hluta af ljósleiðara við upprunalegu PDH tækniuppsetninguna til að seinka leysiljóssviðinu, til að jafna upp tímatöfina sem PDH villumerkjamyndunarferlið hefur kynnt, og að beita þessu PDH merki á raf-sjónkristall sem mótar fasa ljóssviðsins til að fjarlægja leysifasa hávaða (Mynd 1).

Mynd 2 Tilbrigðisferill áfangahávaðaafnámsstuðuls með hávaðatíðni fyrir PDH feedforward aðferðina. Rauðu punktarnir á myndinni sýna tilraunamælingargögnin og græna heilu línan sýnir fræðilegt gildi fasa hávaðaafnámsstuðulsins með sjónhola síunaraðferðinni.
Rannsóknarteymið mældi bælinguáhrif PDH feedforward aðferðarinnar fyrir fasa hávaða við mismunandi tíðni og komst að því að aðferðin getur á skilvirkan hátt bæla leysifasa hávaða allt að 20 MHz með fræðilegri skýringu (Mynd 2). Fyrir lægri tíðni komust þeir að því að framsendingaraðferðin jafngildir sjónhola síunaraðferðinni, en takmarkar ekki send leysiraflið eins alvarlega og sú síðarnefnda. Fyrir hærri tíðni er hægt að auka skilvirkni aðferðarinnar enn frekar með því að þrengja dreifingaráhrif rafeindabúnaðarins. Þess má geta að rásirnar sem notaðar eru til að magna upp villumerkin til að búa til framsendingarmerki í þessari vinnu voru þróaðar og hannaðar af liðsmönnum, sem leggur traustan grunn fyrir verkið til að auka vinsældir og beita.
Gagnrýnandi tjáði sig mjög um þessa vinnu: "PDH tæknin er mikið notuð á mörgum sviðum, þar á meðal tíma-tíðnimæling, litrófsgreiningu og atómeðlisfræði. Rannsóknin á að bæla leysifasa hávaða á MHz tíðnisviðinu hefur fengið mikla athygli og er mikilvæg fyrir fjölmörg forrit Samhliða einföldu aðferðum sem kynntar eru í þessari grein, tel ég að þessar rannsóknir muni hafa víðtæk áhrif og geta ýtt undir útbreidda notkun á straumkerfum. Rannsóknin var birt undir titlinum „Pound-Drever-Hall feedforward: laser phase noise suppression beyond feedback“ þann 9. júlí 2024 í ljósfræðitímaritinu Optica.