Dentro de las comunidades de física atómica y láser, el científico John "Jan" Hall se ha convertido en una figura clave en la historia de la estabilización de frecuencia láser y la medición de precisión mediante láser. El trabajo de Hall giró en torno a la comprensión y manipulación de láseres estables de formas revolucionarias para su época. Su trabajo sentó las bases técnicas para medir un pequeño cambio fraccionario de distancia provocado por el paso de una onda gravitacional. Su trabajo en matrices láser le valió el Premio Nobel de Física en 2005.
Sobre la base de esta base, Jun Ye, miembro de JILA y NIST, y su equipo se embarcaron en un ambicioso viaje para ampliar aún más los límites de la medición de precisión. Esta vez, su atención se centró en una técnica especializada conocida como método Pound-Drever-Hall (PDH) (desarrollado por los científicos R. V. Pound, Ronald Drever y el propio Hall), que desempeña un papel importante en la interferometría óptica de precisión y la estabilización de frecuencia del láser. .
Si bien los físicos han utilizado el método PDH durante décadas para garantizar que la frecuencia de su láser esté "fijada" de manera estable a una referencia artificial o cuántica, una limitación que surge del proceso de modulación de frecuencia en sí, llamada modulación de amplitud residual (RAM), aún puede afectar la estabilidad y precisión de las mediciones del láser.
En una Óptica reciente En el artículo, el equipo de Ye, en colaboración con Ivan Ryger y Hall, miembro del personal electrónico de JILA, implementaron un nuevo enfoque para el método PDH, reduciendo la RAM a niveles mínimos nunca antes vistos y al mismo tiempo haciendo que el sistema sea más robusto y simple.
A medida que la técnica PDH se implementa en varios experimentos, desde interferómetros de ondas gravitacionales hasta relojes ópticos, mejorarla ofrece avances en una variedad de campos científicos.
Desde su publicación en 1983, el método PDH ha sido citado y utilizado miles de veces. "Configurar una cerradura PDH es algo que se puede aprender en un curso de laboratorio de pregrado; así de central es hacer todos los experimentos que hacemos en física atómica", explicó el doctorado recientemente galardonado. candidato Dhruv Kedar, co-primer autor del artículo.
El método PDH utiliza un enfoque de modulación de frecuencia para medir con precisión la frecuencia del láser o las fluctuaciones de fase. La modulación de frecuencia agrega "bandas laterales" especiales (o señales de luz adicionales) alrededor de un haz de luz principal, conocido como "portadora".
La comparación de estas bandas laterales con la portadora principal ayuda a medir cualquier ligero cambio en la frecuencia o fase del haz de luz principal en relación con una referencia. Esta técnica es especialmente útil porque es muy sensible y puede rechazar ruidos y errores no deseados.
Luego, los físicos pueden utilizar estos haces de luz combinados para interrogar diferentes entornos, como una cavidad óptica hecha de espejos. Para hacer esto, los investigadores deben "fijar" el láser a la cavidad o hacer que explore la cavidad a una frecuencia particular.
"Lo que eso significa es que estás intentando fijar tu láser en el centro de tu resonancia", añadió Kedar. Esto permite que el láser alcance niveles de estabilidad de última generación, lo cual es especialmente importante cuando se intenta detectar pequeños cambios en la longitud óptica o monitorear la dinámica cuántica, como cambios de energía o cambios de espín en átomos y moléculas. /P>
Desafortunadamente, "bloquear" un láser no siempre significa que permanezca estable o "en resonancia con el centro de la cavidad óptica, ya que el ruido como la RAM puede cambiar las compensaciones relativas de los haces de luz de referencia e introduce un cambio de frecuencia", co-first El autor y postdoctorado de JILA, Zhibin Yao, elaboró. "La RAM puede contaminar la señal de error de PDH."
Como rápidamente se dieron cuenta los investigadores de JILA, junto con el resto de la comunidad de física láser, reducir esta RAM es crucial para mejorar la estabilidad de la técnica PDH y, a su vez, sus mediciones láser. Superar el problema de la RAM ha sido un largo camino, pero el nuevo enfoque facilitaría mucho la lucha.
Las "bandas laterales" de dos luces de referencia son esenciales para el método de bloqueo PDH. Para generar las "bandas laterales", los investigadores de JILA necesitaron utilizar un modulador de frecuencia, ya sea un modulador electroóptico (EOM) o un modulador acústico-óptico (AOM).
Históricamente, las MOE se han empleado en varios sistemas ópticos aplicando campos eléctricos a cristales ópticos para cambiar la fase de la luz láser que atraviesa el cristal. Cuando se aplica un campo eléctrico a ciertos tipos de cristales, modula la fase del láser alterando el índice de refracción del cristal. Este proceso permite a los EOM agregar bandas laterales al haz portador fácilmente.
Sin embargo, la modulación de fase efectiva del cristal utilizado en los EOM se altera fácilmente por las fluctuaciones ambientales, introduciendo RAM en la señal de error PDH y, en consecuencia, haciéndola menos estable. En contextos donde se requiere una precisión ultraalta, como ejecutar una escala de tiempo óptica o operar un reloj atómico, incluso cantidades minúsculas de RAM pueden introducir fluctuaciones en niveles no deseados.
"Las MOE añaden bandas laterales al láser portador en el dominio óptico, lo que nos resulta más difícil de controlar", explicó Kedar. "Entonces, en lugar de eso, podemos intentar generar estas bandas laterales en el dominio electrónico y traducirlas al óptico mediante el uso de un AOM".
Los OMA representan un enfoque más nuevo para reducir la RAM mediante el uso de ondas sonoras para modular la luz láser. Cuando una onda de sonido se propaga a través de un cristal o un medio transparente, crea un patrón de difracción que desvía la luz láser en diversas cantidades. Cuando un haz de luz pasa a través de este medio alterado por ondas sonoras, las variaciones en el índice de refracción actúan como una serie de pequeños prismas, alterando la trayectoria y, por tanto, la frecuencia de la luz.
Kedar añadió:"Si quieres controlar la amplitud de cada banda lateral, controlas la amplitud del tono principal que estás generando en el dominio de microondas a través del AOM". Debido a que el AOM no modula la frecuencia del láser basándose en el efecto electroóptico, produce mucho menos ruido de RAM que el EOM, lo que reduce el nivel general de RAM del sistema. Todos los haces que salen del cristal AOM se pueden combinar en una sola fibra óptica, colocando todos los haces de cambio de frecuencia en un único perfil de modo espacial común.
Para medir las ventajas de este nuevo enfoque PDH, Kedar, Yao, Ye y el resto del equipo realizaron un experimento utilizando el EOM tradicional y su configuración AOM mejorada y compararon los resultados. Descubrieron que con el AOM podían reducir los niveles de RAM a una pequeña fracción de partes por millón. Igualmente importante es que este enfoque permite mucha más flexibilidad a la hora de controlar la fuerza relativa entre el soporte y las dos bandas laterales. La ventaja de AOM es mucho más obvia cuando el transportista se vuelve cada vez más pequeño.
"En lugar de partes por millón, puedes usar 0,2 partes por millón, lo que parece una pequeña mejora, pero eso es seguir la línea de niveles aceptables de RAM para nosotros", dijo Kedar. "Aunque este nivel de RAM es tan pequeño, sigue siendo un obstáculo importante para mejorar nuestras cavidades y hacerlas ligeramente mejores. Ese factor extra de dos o tres es enormemente útil para ampliar las fronteras de la estabilización láser de última generación. "
La simple implementación de AOM en lugar de EOM sugiere una respuesta de la que incluso Hall estaría orgulloso. "Es bastante simple que, en principio, alguien pueda observar este esquema y verlo como un método natural para interrogar una característica espectral", dijo Kedar. "Al final, esto habla del estilo de investigación que crean Jan y Jun:una solución muy elegante y sencilla".
Más información: Dhruv Kedar et al, triplete FM sintético para espectroscopía y estabilización láser de precisión sin AM, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.507655
Información de la revista: Óptica
Proporcionado por JILA
