研究人员提出了使用激光进行精密测量的简化 改进方案

在原子和激光物理学界，科学家约翰·“简”·霍尔已成为激光频率稳定和激光精密测量历史上的关键人物。霍尔的工作围绕着以当时革命性的方式理解和操纵稳定的激光器。他的工作为测量经过的引力波带来的微小分数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年获得诺贝尔物理学奖。

在此基础上，JILA和NIST研究员JunYe及其团队踏上了雄心勃勃的旅程，进一步突破精密测量的界限。这次，他们的重点转向了一种名为Pound-Drever-Hall(PDH)方法的专业技术(由科学家RVPound、RonaldDrever和Hall本人开发)，该技术在精密光学干涉测量和激光频率稳定方面发挥着重要作用。

虽然物理学家几十年来一直使用PDH方法来确保其激光频率稳定地“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(RAM))仍然会影响稳定性和稳定性。激光测量的准确性。

在最近的一篇Optica论文中，Ye的团队与JILA电子工作人员IvanRyger和Hall合作，实施了一种新的PDH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。

随着PDH技术在从引力波干涉仪到光学时钟的各种实验中得到应用，对其进行进一步改进可以为一系列科学领域带来进步。

深入研究激光“锁定”

自1983年出版以来，PDH方法已被引用和使用数千次。“设置PDH锁是你可能在本科生实验课程中学到的东西;这就是它在我们在原子物理学中所做的所有实验中的核心地位，”最近获得博士学位的博士解释道。候选人DhruvKedar，该论文的共同第一作者。

PDH方法采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”(或附加光信号)，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的频率或相位的任何细微变化。该技术特别有用，因为它非常敏感，可以抑制不需要的噪声和错误。

然后，物理学家可以使用这些组合光束来研究不同的环境，例如由镜子制成的光学腔。为此，研究人员必须将激光“锁定”到腔体或让它以特定频率探测腔体。

“这意味着你试图将激光锁定在你的共振中心，”凯达尔补充道。这使得激光器能够达到最先进的稳定性水平，这在试图梳理光学长度的微小变化或监测量子动力学(例如原子和分子的能量转移或自旋变化)时尤其重要。

不幸的是，“锁定”激光器并不总是意味着它保持稳定或“与光学腔中心共振，因为RAM等噪声可以改变参考光束的相对偏移并引入频移”，co-first作者、JILA博士后姚志斌详细阐述。“RAM可能会污染您的PDH错误信号。”

JILA研究人员以及激光物理界的其他人员很快意识到，减少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。克服内存问题是一个漫长的过程，但新方法将使战斗变得更加容易。

通过EOM和AOM减少RAM

双参考光“边带”对于PDH锁定方法至关重要。为了生成“边带”，JILA研究人员需要使用频率调制器，可以是电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)。

历史上，EOM已被用于各种光学系统，通过向光学晶体施加电场来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时，它会通过改变晶体的折射率来调制激光相位。此过程使EOM能够轻松地将边带添加到载波波束中。

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，从而将RAM引入PDH误差信号中，从而使其稳定性降低。在需要超高精度的环境中，例如运行光学时标或操作原子钟，即使是极少量的RAM也可能会带来不希望的水平的波动。

“EOM在光域中向载波激光器添加了边带，这对我们的控制来说更具挑战性，”Kedar解释道。“因此，我们可以尝试在电子域中生成这些边带，并使用声光调制器将它们转换为光学域。”

AOM代表了一种通过使用声波调制激光来减少RAM的新方法。当声波穿过晶体或透明介质传播时，它会产生衍射图案，使激光发生不同程度的弯曲。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，改变了路径，从而改变了光的频率。

Kedar补充道：“如果您想控制每个边带的幅度，您可以通过AOM控制在微波域中生成的主音的幅度。”由于AOM不基于电光效应来调制激光频率，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级别。从声光调制器晶体发出的所有光束都可以组合在一根光纤中，将所有频移光束放入单个公共空间模式轮廓中。

比较EOM和AOM

为了衡量这种新的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设置进行了实验，并比较了结果。他们发现，通过AOM，他们可以将RAM级别降低到百万分之一小部分。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提供了更大的灵活性。当载体变得非常小时，AOM的优势更加明显。

“你可以做到百万分之0.2，而不是百万分之几，这似乎是一个小小的改进，但这对我们来说是可接受的RAM水平的遵循，”Kedar说。“尽管这个RAM级别如此之小，但它仍然是改进我们的腔体并使它们稍微好一点的重大障碍。两到三倍的额外因素对于推动最先进的激光稳定的前沿非常有帮助。”

AOM而非EOM的简单实现表明了一个甚至Hall都会感到自豪的答案。“这很简单，原则上，有人可以看看这个方案，并将其视为询问光谱特征的自然方法，”凯达尔说。“最后，这体现了Jan和Jun共同创造的研究风格：一种非常优雅、简单的解决方案。”

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