All'interno delle comunità di fisica atomica e laser, lo scienziato John "Jan" Hall è diventato una figura chiave nella storia della stabilizzazione della frequenza laser e della misurazione di precisione tramite laser. Il lavoro di Hall ruotava attorno alla comprensione e alla manipolazione dei laser stabili in modi rivoluzionari per l'epoca. Il suo lavoro ha gettato le basi tecniche per misurare un minuscolo cambiamento frazionario della distanza portato dal passaggio di un'onda gravitazionale. Il suo lavoro sugli array laser gli è valso il Premio Nobel per la fisica nel 2005.
Basandosi su queste basi, Jun Ye, membro della JILA e del NIST, e il suo team hanno intrapreso un viaggio ambizioso per ampliare ulteriormente i confini della misurazione di precisione. Questa volta, la loro attenzione si è concentrata su una tecnica specializzata nota come metodo Pound-Drever-Hall (PDH) (sviluppata dagli scienziati R. V. Pound, Ronald Drever e dallo stesso Hall), che svolge un ruolo importante nell'interferometria ottica di precisione e nella stabilizzazione della frequenza laser. .
Sebbene i fisici abbiano utilizzato il metodo PDH per decenni per garantire che la loro frequenza laser sia stabilmente "bloccata" su un riferimento artificiale o quantistico, una limitazione derivante dal processo di modulazione di frequenza stesso, chiamata modulazione di ampiezza residua (RAM), può ancora influenzare la stabilità e precisione delle misurazioni del laser.
In un recente Optica articolo, il team di Ye, in collaborazione con Ivan Ryger e Hall, membro dello staff elettronico della JILA, ha implementato un nuovo approccio per il metodo PDH, riducendo la RAM a livelli minimi mai visti prima e rendendo il sistema più robusto e semplice.
Poiché la tecnica PDH viene implementata in vari esperimenti, dagli interferometri delle onde gravitazionali agli orologi ottici, il suo miglioramento offre ulteriori progressi in una serie di campi scientifici.
Dalla sua pubblicazione nel 1983, il metodo PDH è stato citato e utilizzato migliaia di volte. "L'impostazione di un blocco PDH è qualcosa che potresti imparare in un corso di laboratorio universitario; è proprio così centrale fare tutti gli esperimenti che facciamo in fisica atomica", ha spiegato il dottorato recentemente premiato. il candidato Dhruv Kedar, co-primo autore dell'articolo.
Il metodo PDH utilizza un approccio di modulazione di frequenza per misurare con precisione la frequenza del laser o le fluttuazioni di fase. La modulazione di frequenza aggiunge speciali "bande laterali" (o segnali luminosi aggiuntivi) attorno a un raggio luminoso principale, noto come "portante".
Il confronto di queste bande laterali con la portante principale aiuta a misurare eventuali lievi variazioni nella frequenza o nella fase del raggio luminoso principale rispetto a un riferimento. Questa tecnica è particolarmente utile perché è molto sensibile e può rifiutare rumori ed errori indesiderati.
I fisici possono quindi utilizzare questi fasci di luce combinati per interrogare ambienti diversi, come una cavità ottica fatta di specchi. Per fare ciò, i ricercatori devono "bloccare" il laser nella cavità o fargli sondare la cavità a una frequenza particolare.
"Ciò significa che stai cercando di bloccare il laser al centro della tua risonanza", ha aggiunto Kedar. Ciò consente al laser di raggiungere livelli di stabilità all'avanguardia, il che è particolarmente importante quando si cerca di individuare piccoli cambiamenti nella lunghezza ottica o di monitorare le dinamiche quantistiche, come spostamenti di energia o cambiamenti di spin in atomi e molecole.
Sfortunatamente, "bloccare" un laser non significa sempre che rimanga stabile o "in risonanza con il centro della cavità ottica, poiché un rumore come la RAM può modificare gli offset relativi dei fasci di luce di riferimento e introdurre uno spostamento di frequenza", spiega il co-first. ha elaborato l'autore e postdoc della JILA Zhibin Yao. "La RAM può contaminare il segnale di errore PDH."
Come i ricercatori JILA hanno subito capito, insieme al resto della comunità di fisica del laser, la riduzione di questa RAM è fondamentale per migliorare la stabilità della tecnica PDH e, di conseguenza, le misurazioni laser. Superare il problema della RAM è stato un lungo viaggio, ma il nuovo approccio renderebbe la lotta molto più semplice.
Le "bande laterali" luminose a due riferimenti sono essenziali per il metodo di bloccaggio PDH. Per generare le "bande laterali", i ricercatori JILA dovevano utilizzare un modulatore di frequenza, un modulatore elettro-ottico (EOM) o un modulatore acusto-ottico (AOM).
Storicamente, gli EOM sono stati impiegati in vari sistemi ottici applicando campi elettrici ai cristalli ottici per modificare la fase della luce laser che attraversa il cristallo. Quando un campo elettrico viene applicato a determinati tipi di cristalli, modula la fase del laser alterando l'indice di rifrazione del cristallo. Questo processo consente agli EOM di aggiungere facilmente bande laterali alla trave portante.
Tuttavia, l’effettiva modulazione di fase del cristallo utilizzato negli EOM viene facilmente alterata dalle fluttuazioni ambientali, introducendo RAM nel segnale di errore PDH e di conseguenza rendendolo meno stabile. In contesti in cui è richiesta una precisione ultraelevata, come l'esecuzione di una scala temporale ottica o il funzionamento di un orologio atomico, anche minuscole quantità di RAM possono introdurre fluttuazioni a livelli indesiderati.
"Gli EOM aggiungono bande laterali al laser portante nel dominio ottico, che per noi è più difficile da controllare", ha spiegato Kedar. "Quindi, invece, possiamo provare a generare queste bande laterali nel dominio elettronico e tradurle in quello ottico utilizzando un AOM."
Gli AOM rappresentano un approccio più recente alla riduzione della RAM utilizzando le onde sonore per modulare la luce laser. Quando un'onda sonora si propaga attraverso un cristallo o un mezzo trasparente, crea uno schema di diffrazione che piega la luce laser in varie quantità. Quando un raggio di luce passa attraverso questo mezzo alterato dalle onde sonore, le variazioni dell'indice di rifrazione agiscono come una serie di minuscoli prismi, alterando il percorso e, quindi, la frequenza della luce.
Kedar ha aggiunto:"Se vuoi controllare l'ampiezza di ciascuna banda laterale, controlli l'ampiezza del tono principale che stai generando nel dominio delle microonde tramite l'AOM". Poiché l'AOM non modula la frequenza del laser in base all'effetto elettro-ottico, produce molto meno rumore RAM rispetto all'EOM, riducendo il livello RAM complessivo del sistema. Tutti i raggi che escono dal cristallo AOM possono essere combinati in un'unica fibra ottica, inserendo tutti i raggi di spostamento di frequenza in un unico profilo di modalità spaziale comune.
Per misurare i vantaggi di questo nuovo approccio PDH, Kedar, Yao, Ye e il resto del team hanno eseguito un esperimento utilizzando l'EOM tradizionale e la loro configurazione AOM migliorata e hanno confrontato i risultati. Hanno scoperto che con l’AOM potevano ridurre i livelli di RAM a una piccola frazione di parti per milione. Cosa altrettanto importante, questo approccio consente una flessibilità molto maggiore nel controllo della forza relativa tra la portante e le due bande laterali. Il vantaggio AOM è molto più evidente quando la compagnia aerea diventa incredibilmente piccola.
"Invece di parti per milione, puoi fare come 0,2 parti per milione, il che sembra un piccolo miglioramento, ma per noi è in linea con i livelli accettabili di RAM", ha detto Kedar. "Anche se questo livello di RAM è così piccolo, rappresenta comunque un ostacolo significativo per migliorare le nostre cavità e renderle leggermente migliori. Quel fattore extra di due o tre è estremamente utile per ampliare le frontiere della stabilizzazione laser all'avanguardia. "
La semplice implementazione di AOM invece di EOM suggerisce una risposta di cui anche Hall sarebbe orgoglioso. "È abbastanza semplice che, in linea di principio, qualcuno possa guardare questo schema e vederlo come un metodo naturale per interrogare una caratteristica spettrale", ha detto Kedar. "Alla fine, questo dimostra lo stile di ricerca che Jan e Jun creano entrambi:una soluzione molto elegante e semplice."
Ulteriori informazioni: Dhruv Kedar et al, Tripletta FM sintetica per stabilizzazione laser e spettroscopia di precisione senza AM, Optica (2023). DOI:10.1364/OTTICA.507655
Informazioni sul giornale: Ottica
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