清华物理系在激光高频相噪消除技术方面取得重要进展

2024-07-12 16:29

自从1960年第一台激光器的诞生以来，激光技术便在物理学的各个领域得到了广泛的应用，例如激光通信、激光光谱学、激光粒子加速器和激光干涉测量等。在原子分子与光物理的实验研究中，激光器的性能决定了人们对原子、分子等微观粒子的操纵能力。近年来，随着量子科技的发展，科学实验对于激光器的要求进一步提高。例如，为了精密操纵原子的量子态，实现高精度的量子逻辑门，人们需要绝对频率稳定且相位噪声极低的激光器。为了消除激光器的频率漂移，Robert Pound（罗伯特·庞德），Ronald Drever（罗纳德·德雷弗）和John Hall（约翰·霍尔）（简称PDH）三位物理学家发展出了一套基于调制解调技术将激光频率锁定在一个法布里－珀罗光学腔上的方法，该方法对于压制激光器的低频（＜100 kHz）相位噪声极为有效。但由于它是一种基于反馈控制的技术，不可避免地受到反馈带宽的限制，因此不能有效地抑制激光器的高频相位噪声。另一方面，现有的激光高频相噪消除方法手段较为复杂，稳定性与噪声抑制效果还有较大的提升空间。

图1 实验装置原理图以及效果图。（a）典型的PDH反馈稳频装置（白色背景区域）以及PDH前馈相噪消除装置（蓝色阴影区域）。（b）输出光与超稳腔透射光的外差频谱。红色谱线为未使用PDH前馈时的外差频谱，蓝色为使用PDH前馈时的外差频谱。

近期，清华大学物理系郑盟锟－尤力课题组发展了一项消除激光相噪的新技术，实现了对MHz范围的高频相噪高达四个数量级的抑制，效果比以往所有基于反馈／前馈的相噪消除方法好一到两个数量级。该方法是对经典的PDH稳频技术的巧妙拓展。他们发现当使用PDH反馈将激光器频率锁定在超稳腔上时，剩余的误差信号在高频区域正比于实时的激光相位偏移。由此，他们提出了在原有的PDH技术装置上加入一段十几米的光纤来延迟激光光场，补偿PDH误差信号生成过程所引入的时间延迟，再将该PDH信号作用到一个调制光场相位的电光晶体来消除激光相噪的新前馈方案（图1）。

图 2 PDH前馈方法相噪消除系数随噪声频率的变化曲线。图中红色圆点为实验实测数据，绿色实线为光学腔过滤方法对相位噪声消除系数的理论值。

研究团队测量了PDH前馈方法对于不同频率的相位噪声的抑制效果，发现该方法能高效地压制20MHz以内的激光相噪，并给出了理论解释（图2）。对于较低的频率，他们发现该前馈方法的效果等效于光学腔过滤方法，但不会像后者一样严重限制透过的激光功率。对于更高频率，该方法的效果可以通过缩小电子学器件的色散效应来进一步提升。值得一提的是，该工作中用于放大误差信号生成前馈信号的电路为团队成员自主研发设计，为该工作被进一步推广应用打下了坚实的基础。

审稿人对该工作给出了高度评价：“PDH技术被广泛应用于多个领域，包括时间频率计量、光谱学和原子物理等。抑制MHz频率范围的激光相位噪声的研究受到广泛关注，对众多应用具有重要意义。结合本文所介绍的简易技术，我相信本研究将产生广泛影响，并可能推动前馈方案的广泛应用。”研究工作以“Pound–Drever–Hall feedforward： laser phase noise suppression beyond feedback”为题于2024年7月9日发表在光学期刊Optica上。