Le département de physique de Tsinghua réalise des progrès importants dans la technologie d'annulation du bruit de phase à haute fréquence des lasers

Depuis la naissance du premier laser en 1960, la technologie laser a été largement utilisée dans divers domaines de la physique, tels que la communication laser, la spectroscopie laser, les pédales d'accélérateur de particules laser et l'interférométrie laser. Dans les études expérimentales de physique atomique, moléculaire et optique, les performances des lasers déterminent la capacité à manipuler des particules microscopiques telles que les atomes et les molécules. Ces dernières années, avec le développement de la science et de la technologie quantiques, les exigences des expériences scientifiques pour les lasers ont été encore améliorées. Par exemple, pour manipuler avec précision l'état quantique des atomes et réaliser des portes logiques quantiques de haute précision, les gens ont besoin de lasers avec une fréquence absolue stable et un bruit de phase extrêmement faible. Afin d'éliminer la dérive de fréquence des lasers, trois physiciens, Robert Pound, Ronald Drever et John Hall (PDH en abrégé), ont développé une méthode basée sur une technique de modulation-démodulation pour verrouiller la fréquence laser sur une cavité optique Fabry-Perot. La méthode est extrêmement efficace pour supprimer les basses fréquences (<100 kHz) phase noise in lasers. However, since it is a technique based on feedback control, it is inevitably limited by the feedback bandwidth, and thus cannot effectively suppress the high-frequency phase noise of the laser. On the other hand, the existing laser high-frequency phase noise elimination method means are more complicated, and there is still much room for improvement in stability and noise suppression.

Fig. 1 Schéma du dispositif expérimental ainsi que du diagramme d'effet. (a) Dispositif de stabilisation de fréquence à rétroaction PDH typique (zone de fond blanche) et dispositif d'annulation du bruit de phase à rétroaction PDH (zone ombrée bleue). (b) Spectre de la différence externe entre la lumière de sortie et la lumière transmise par la cavité superstabilisée. Le spectre rouge est le spectre aberrant lorsque la rétroaction PDH n'est pas utilisée, et le bleu est le spectre aberrant lorsque la rétroaction PDH est utilisée.
Récemment, une nouvelle technique d'annulation du bruit de phase laser a été développée par le groupe Mung-Kun Cheng-Yuli du département de physique de l'université Tsinghua, qui permet une suppression jusqu'à quatre ordres de grandeur du bruit de phase haute fréquence dans la gamme MHz, ce qui est un à deux ordres de grandeur meilleur que toutes les méthodes précédentes d'annulation du bruit de phase basées sur la rétroaction/anticipation. Cette méthode est une extension intelligente de la technique classique de stabilisation de fréquence PDH. Ils ont découvert que lorsqu'ils utilisent la rétroaction PDH pour verrouiller la fréquence laser sur la cavité superstabilisée, le signal d'erreur restant est proportionnel au déphasage laser en temps réel dans la région haute fréquence. En conséquence, ils ont proposé un nouveau schéma d'anticipation en ajoutant une section de dix mètres de fibre optique à la configuration technologique PDH d'origine pour retarder le champ lumineux laser, en compensant le retard temporel introduit par le processus de génération du signal d'erreur PDH, puis en appliquant ce signal PDH à un cristal électro-optique qui module la phase du champ lumineux pour supprimer le bruit de phase laser (Fig. 1).

Fig. 2 Courbe de variation du coefficient d'annulation du bruit de phase en fonction de la fréquence du bruit pour la méthode de rétroaction PDH. Les points rouges sur la figure montrent les données mesurées expérimentalement et la ligne continue verte montre la valeur théorique du coefficient d'annulation du bruit de phase par la méthode de filtrage par cavité optique.
L'équipe de recherche a mesuré l'effet de suppression de la méthode de rétroaction PDH pour le bruit de phase à différentes fréquences et a découvert que la méthode peut supprimer efficacement le bruit de phase laser jusqu'à 20 MHz avec une explication théorique (Figure 2). Pour les fréquences plus basses, ils ont découvert que la méthode de rétroaction est équivalente à la méthode de filtrage de la cavité optique, mais ne limite pas la puissance laser transmise aussi sévèrement que cette dernière. Pour les fréquences plus élevées, l'efficacité de la méthode peut être encore améliorée en réduisant l'effet de dispersion de l'électronique. Il convient de mentionner que les circuits utilisés pour amplifier les signaux d'erreur afin de générer des signaux de rétroaction dans ce travail ont été développés et conçus par les membres de l'équipe, ce qui pose une base solide pour que le travail soit davantage popularisé et appliqué.
Le critique a fait l'éloge de ce travail : « La technique PDH est largement utilisée dans de nombreux domaines, notamment la métrologie temps-fréquence, la spectroscopie et la physique atomique. L'étude de la suppression du bruit de phase laser dans la gamme de fréquences MHz a reçu beaucoup d'attention et est importante pour de nombreuses applications. Combinée aux techniques simples présentées dans cet article, je pense que cette recherche aura un large impact et pourrait conduire à l'utilisation généralisée des schémas de rétroaction. » La recherche a été publiée sous le titre « Pound-Drever-Hall feedforward : laser phase noise suppression beyond feedback » le 9 juillet 2024 dans la revue d'optique Optica.