【千问百科解读】

激光网3月18日消息，激光物理学的开创性工作为精密测量的重大进步奠定了基础，使技术能够显着降低残余幅度调制。

在原子和激光物理学界，科学家约翰·霍尔是激光频率稳定和激光精度测量史上的关键人物。

霍尔的工作围绕着理解和操纵稳定的激光器，这在当时是革命性的。

他的工作为测量通过的引力波带来的微小距离变化奠定了技术基础。

他在激光阵列方面的工作使他于2005年获得了诺贝尔物理学奖。

在此基础上，JILA和NIST研究员Jun Ye及其团队踏上了雄心勃勃的旅程，以进一步推动精密测量的界限。

这一次，他们的注意力转向了一种称为庞德-德雷弗-霍尔方法的专业技术，该方法在精密光学干涉测量和激光频率稳定中发挥着重要作用。

虽然物理学家几十年来一直使用PDH方法来确保他们的激光频率稳定地“锁定”到人工或量子参考，但频率调制过程本身产生的限制，称为残余幅度调制，仍然会影响激光测量的稳定性和准确性。

在一篇新的Optica论文中，Ye的团队与JILA电子工作人员Ivan Ryger和Hall合作，描述了PDH方法的实施新方法，将RAM降低到前所未有的最低水平，同时使系统更加强大和简单。

由于PDH技术在各种实验中得到实施，从引力波干涉仪到光学时钟，改进它进一步为一系列科学领域提供了进步。

自 1983 年发表以来，PDH 方法已被引用和使用数千次。

“设置 PDH 锁是您可能会在本科实验课程中学到的东西;这正是我们在原子物理学中所做的所有实验的核心，“该论文的共同第一作者、最近的博士毕业生Dhruv Kedar解释说。

PDH方法使用频率调制方法来精确测量激光频率或相位波动。

频率调制在主光束周围添加特殊的“边带”，称为“载波”。

将这些边带与主载波进行比较有助于测量主光束相对于参考光束的频率或相位的任何细微变化。

这种技术特别有用，因为它非常灵敏，可以减少不必要的噪音和错误。

然后，物理学家可以使用这些组合光束来询问不同的环境，例如由镜子制成的光学腔。

为此，研究人员必须将激光“锁定”到腔体上，即让激光以特定频率探测腔体。

“这意味着你正试图将激光锁定在共振的中心，”Kedar补充道。

这使得激光器能够达到最先进的稳定性水平，这在试图梳理出光学长度的微小变化或监测量子动力学时尤为重要。

不幸的是，“锁定”激光并不总是意味着它保持稳定或“与光学腔的中心共振，因为像RAM这样的噪声可以改变参考光束的相对偏移并引入频移，”共同第一作者和JILA博士后Zhibin Yao阐述道。

“RAM 可能会污染您的 PDH 错误信号。

”

正如JILA研究人员很快意识到的那样，与激光物理学界的其他成员一样，减少这种RAM对于提高PDH技术的稳定性以及激光测量的稳定性至关重要。

克服RAM问题是一场漫长的斗争，但新方法将使斗争变得更加容易。

双参考光“边带”对于PDH锁定方法至关重要。

为了产生“边带”，JILA研究人员需要使用频率调制器，即电光调制器或声光调制器。

从历史上看，EOM 已被用于各种光学系统，方法是将电场施加到光学晶体上以改变穿过晶体的激光的相位。

当电场施加到某些类型的晶体上时，它通过改变晶体的折射率来调制激光相位。

这个过程允许EOM轻松地将边带添加到载波束上。

然而，EOM中使用的晶体的有效相位调制很容易因环境波动而改变，将RAM引入PDH误差信号中，从而降低其稳定性。

在需要超高精度的情况下，例如运行光学时间刻度或操作原子钟，即使是极少量的RAM也会在不希望的水平上引入波动。

“EOM在光域中为载波激光器增加了边带，这对我们来说更具挑战性，”Kedar解释说。

“因此，我们可以尝试在电子域中生成这些边带，并使用AOM将它们转换为光学。

AOM 代表了一种通过使用声波调制激光来减少 RAM 的较新方法。

当声波通过晶体或透明介质传播时，它会产生衍射图案，使激光弯曲不同程度。

当光束穿过这种声波改变的介质时，折射率的变化就像一系列微小的棱镜一样，改变了光的路径，从而改变了光的频率。

Kedar补充说：“如果你想控制每个边带的幅度，你可以通过AOM控制你在微波域中产生的主音的幅度。

由于 AOM 不会根据电光效应调制激光频率，因此它产生的 RAM 噪声比 EOM 少得多，从而降低了系统的整体 RAM 水平。

从AOM晶体发出的所有光束都可以组合在一根光纤中，并将所有频移光束放入一个单一的公共空间模式曲线中。

为了衡量这种新 PDH 方法的优势，Kedar、Yao、Ye 和团队的其他成员使用传统的 EOM 和他们改进的 AOM 设置进行了一项实验，并比较了结果。

他们发现，使用AOM，他们可以将RAM水平从百万分之一降低到百万分之一的一小部分。

同样重要的是，这种方法在控制载波和两个边带之间的相对强度方面具有更大的灵活性。

当载波变得非常小时，AOM的优势就更加明显了。

“你可以做到百万分之0.2，而不是百万分之0.2，这似乎是一个小小的改进，但这对我们来说是可接受的RAM水平，”Kedar解释道。

“尽管这个RAM水平如此之小，但它仍然是改善我们的蛀牙并使其稍微好一点的重要障碍。

两到三的额外因素对于推动最先进的激光稳定前沿非常有帮助。

AOM 而不是 EOM 的简单实现提出了一个连 Hall 都会引以为豪的答案。

“这很简单，原则上，有人可以查看这个方案，并将其视为询问光谱特征的自然方法，”Kedar解释说。

“最后，这说明了 Jan 和 Jun 都创造的研究风格：一个非常优雅、简单的解决方案。

”

参考资料：“用于无AM精密激光稳定和光谱学的合成FM三联体”，作者：John L. Hall、Dhruv Kedar、Ivan Ryger、Jun Ye和Zhibin Yao，2024年1月19日，Optica。

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