Nas comunidades de física atômica e de laser, o cientista John "Jan" Hall se tornou uma figura chave na história da estabilização de frequência de laser e medição de precisão usando lasers. O trabalho de Hall girou em torno da compreensão e manipulação de lasers estáveis ​​​​de maneiras revolucionárias para a época. Seu trabalho estabeleceu uma base técnica para medir uma pequena mudança fracionária de distância provocada por uma onda gravitacional passageira. Seu trabalho em matrizes de laser lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física em 2005.



Com base nesta base, Jun Ye, bolsista do JILA e do NIST, e sua equipe embarcaram em uma jornada ambiciosa para ampliar ainda mais os limites da medição de precisão. Desta vez, seu foco se voltou para uma técnica especializada conhecida como método Pound-Drever-Hall (PDH) (desenvolvida pelos cientistas RV Pound, Ronald Drever e o próprio Hall), que desempenha um grande papel na interferometria óptica de precisão e na estabilização de frequência do laser. .

Embora os físicos tenham usado o método PDH por décadas para garantir que a frequência do laser esteja estável "travada" em uma referência artificial ou quântica, uma limitação decorrente do próprio processo de modulação de frequência, chamada modulação de amplitude residual (RAM), ainda pode afetar a estabilidade e precisão das medições do laser.

Em uma recente Optica No artigo, a equipe de Ye, trabalhando com Ivan Ryger e Hall, membro da equipe eletrônica da JILA, implementou uma nova abordagem para o método PDH, reduzindo a RAM a níveis mínimos nunca antes vistos e tornando o sistema mais robusto e mais simples.

Como a técnica PDH é implementada em vários experimentos, desde interferômetros de ondas gravitacionais até relógios ópticos, aprimorá-la ainda mais oferece avanços em diversos campos científicos.

Um mergulho no 'bloqueio' do laser

Desde a sua publicação em 1983, o método PDH foi citado e utilizado milhares de vezes. "Configurar um bloqueio PDH é algo que você pode aprender em um curso de laboratório de graduação; é assim que é fundamental fazer todos os experimentos que fazemos em física atômica", explicou o recentemente premiado Ph.D. candidato Dhruv Kedar, co-primeiro autor do artigo.

O método PDH usa uma abordagem de modulação de frequência para medir com precisão a frequência do laser ou as flutuações de fase. A modulação de frequência adiciona "bandas laterais" especiais (ou sinais de luz adicionais) ao redor de um feixe de luz principal, conhecido como "portadora".

A comparação dessas bandas laterais com a portadora principal ajuda a medir quaisquer pequenas alterações na frequência ou fase do feixe de luz principal em relação a uma referência. Essa técnica é especialmente útil porque é muito sensível e pode rejeitar ruídos e erros indesejados.

Os físicos podem então usar esses feixes de luz combinados para interrogar diferentes ambientes, como uma cavidade óptica feita de espelhos. Para fazer isso, os pesquisadores devem “travar” o laser na cavidade ou fazer com que ele sonde a cavidade em uma frequência específica.

“O que isso significa é que você está tentando travar o laser no centro da ressonância”, acrescentou Kedar. Isso permite que o laser atinja níveis de estabilidade de última geração, o que é especialmente importante ao tentar provocar pequenas mudanças no comprimento óptico ou monitorar a dinâmica quântica, como mudanças de energia ou mudanças de spin em átomos e moléculas.

Infelizmente, “travar” um laser nem sempre significa que ele permanece estável ou “em ressonância com o centro da cavidade óptica, já que ruídos como a RAM podem alterar os deslocamentos relativos dos feixes de luz de referência e introduzir mudança de frequência”, co-primeiro autor e JILA Postdoc Zhibin Yao elaborou. "A RAM pode contaminar o sinal de erro do PDH."

Como os pesquisadores do JILA perceberam rapidamente, juntamente com o resto da comunidade da física do laser, reduzir essa RAM é crucial para melhorar a estabilidade da técnica PDH e, por sua vez, suas medições de laser. Superar o problema da RAM foi uma longa jornada, mas a nova abordagem tornaria a luta muito mais fácil.

Redução de RAM por meio de EOMs e AOMs

As "faixas laterais" de luz de duas referências são essenciais para o método de travamento PDH. Para gerar as "bandas laterais", os pesquisadores do JILA precisaram usar um modulador de frequência, um modulador eletro-óptico (EOM) ou um modulador acústico-óptico (AOM).

Historicamente, os EOMs têm sido empregados em vários sistemas ópticos, aplicando campos elétricos a cristais ópticos para alterar a fase da luz laser que passa pelo cristal. Quando um campo elétrico é aplicado a certos tipos de cristais, ele modula a fase do laser alterando o índice de refração do cristal. Este processo permite que os EOMs adicionem facilmente bandas laterais ao feixe transportador.

No entanto, a modulação de fase efetiva do cristal utilizado nos EOMs é facilmente alterada pelas flutuações ambientais, introduzindo RAM no sinal de erro PDH e consequentemente tornando-o menos estável. Em contextos onde é necessária precisão ultra-alta, como executar uma escala de tempo óptica ou operar um relógio atômico, mesmo quantidades minúsculas de RAM podem introduzir flutuações em níveis indesejados.

“Os EOMs adicionam bandas laterais ao laser portador no domínio óptico, o que é mais desafiador para nós controlarmos”, explicou Kedar. "Então, em vez disso, podemos tentar gerar essas bandas laterais no domínio eletrônico e traduzi-las para o domínio óptico usando um AOM."

Os AOMs representam uma abordagem mais recente para reduzir a RAM usando ondas sonoras para modular a luz do laser. Quando uma onda sonora se propaga através de um cristal ou meio transparente, ela cria um padrão de difração que curva a luz do laser em várias quantidades. À medida que um feixe de luz passa por esse meio alterado pela onda sonora, as variações no índice de refração agem como uma série de minúsculos prismas, alterando o caminho e, portanto, a frequência da luz.

Kedar acrescentou:“Se você deseja controlar a amplitude de cada banda lateral, você controla a amplitude do tom principal que está gerando no domínio de micro-ondas por meio do AOM”. Como o AOM não modula a frequência do laser com base no efeito eletro-óptico, ele produz muito menos ruído de RAM do que o EOM, reduzindo o nível geral de RAM do sistema. Todos os feixes que saem do cristal AOM podem ser combinados em uma única fibra óptica, colocando todos os feixes de mudança de frequência em um único perfil de modo espacial comum.

Comparando MOE e MOE

Para medir as vantagens desta nova abordagem PDH, Kedar, Yao, Ye e o restante da equipe realizaram um experimento usando o EOM tradicional e sua configuração AOM aprimorada e compararam os resultados. Eles descobriram que, com o AOM, poderiam reduzir os níveis de RAM para uma pequena fração de partes por milhão. Igualmente importante, esta abordagem permite muito mais flexibilidade no controle da força relativa entre a portadora e as duas bandas laterais. A vantagem do AOM é muito mais óbvia quando a transportadora se torna cada vez menor.

“Em vez de partes por milhão, você pode fazer cerca de 0,2 partes por milhão, o que parece uma pequena melhoria, mas isso é uma espécie de desvio dos níveis aceitáveis ​​​​de RAM para nós”, disse Kedar. "Mesmo que esse nível de RAM seja tão pequeno, ainda é um obstáculo significativo para melhorar nossas cavidades e torná-las um pouco melhores. Esse fator extra de dois ou três é extremamente útil para expandir as fronteiras da estabilização a laser de última geração. "

A simples implementação do AOM em vez do EOM sugere uma resposta da qual até mesmo Hall ficaria orgulhoso. “É bastante simples que, em princípio, alguém possa olhar para este esquema e vê-lo como um método natural para interrogar uma característica espectral”, disse Kedar. "No final, isso reflete o estilo de pesquisa que Jan e Jun criaram:uma solução muito elegante e simples."

Mais informações: Dhruv Kedar et al, tripleto FM sintético para estabilização e espectroscopia de laser de precisão livre de AM, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.507655
Informações do diário: Óptica

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