U okviru zajednica atomske i laserske fizike, naučnik Džon „Jan“ Hol postao je ključna figura u istoriji stabilizacije laserske frekvencije i preciznog merenja pomoću lasera. Holov rad se vrteo oko razumevanja i manipulisanja stabilnim laserima na načine koji su bili revolucionarni za njihovo vreme. Njegov rad je postavio tehničku osnovu za merenje male promene udaljenosti koju donosi prolazni gravitacioni talas. Njegov rad na laserskim nizovima dodelio mu je Nobelovu nagradu za fiziku 2005 .
Nadovezujući se na ovu osnovu, JILA i NIST saradnik Jun Ie i njegov tim krenuli su na ambiciozno putovanje kako bi još više pomerili granice preciznog merenja. Ovog puta, njihov fokus se okrenuo specijalizovanoj tehnici poznatoj kao Paund-Drever-Hall (PDH) metoda (koju su razvili naučnici R.V. Pound, Ronald Drever i sam Hall), koja igra veliku ulogu u preciznoj optičkoj interferometriji i stabilizaciji frekvencije lasera.
Dok su fizičari koristili PDH metod decenijama kako bi osigurali da njihova laserska frekvencija bude stabilno „zaključana“ za veštačku ili kvantnu referencu, ograničenje koje proizilazi iz samog procesa modulacije frekvencije, nazvano modulacija rezidualne amplitude (RAM), i dalje može uticati na stabilnost i tačnost merenja lasera.
U nedavnom časopisu Optica, Ie-ov tim, radeći sa članom elektronskog osoblja JILA-e Ivanom Rigerom i Holom, implementirao je novi pristup za PDH metod, smanjujući RAM na nikada ranije viđene minimalne nivoe, dok je sistem učinio robusnijim i jednostavnijim.
Kako se PDH tehnika primenjuje u različitim eksperimentima, od interferometara gravitacionih talasa do optičkih satova, njeno dalje poboljšanje nudi napredak u nizu naučnih oblasti.
Od svog objavljivanja 1983. godine, PDH metoda je citirana i korišćena hiljade puta. „Podešavanje PDH zaključavanja je nešto što biste mogli da naučite na dodiplomskom laboratorijskom kursu; upravo je to ključno izvođenje svih eksperimenata koje radimo u atomskoj fizici“, objasnio je nedavno nagrađeni dr. kandidat Dhruv Kedar, koautor lista.
PDH metoda koristi pristup modulacije frekvencije za precizno merenje frekvencije lasera ili fluktuacija faze. Modulacija frekvencije dodaje posebne „bočne trake“ (ili dodatne svetlosne signale) oko glavnog svetlosnog snopa, poznatog kao „nosač“.
Poređenje ovih bočnih traka sa glavnim nosiocem pomaže u merenju bilo koje male promene u frekvenciji ili fazi glavnog svetlosnog snopa u odnosu na referencu. Ova tehnika je posebno korisna jer je veoma osetljiva i može da odbije neželjenu buku i greške.
Fizičari zatim mogu da koriste ove kombinovane svetlosne zrake za ispitivanje različitih okruženja, kao što je optička šupljina napravljena od ogledala. Da bi to uradili, istraživači moraju da „zaključaju“ laser za šupljinu ili da ga nateraju da sondira šupljinu na određenoj frekvenciji.
„To znači da pokušavate da zaključate svoj laser u centar svoje rezonance“, dodao je Kedar. Ovo omogućava laseru da dostigne najsavremenije nivoe stabilnosti, što je posebno važno kada pokušavate da otkrijete male promene u optičkoj dužini ili nadgledate kvantne dinamike, kao što su promene energije ili promene spina u atomima i molekulima.
Nažalost, „zaključavanje“ lasera ne znači uvek da ostaje stabilan ili „u rezonanciji sa centrom optičke šupljine, pošto buka poput RAM-a može da promeni relativne pomake referentnih svetlosnih snopova i uvede pomeranje frekvencije“, prvo autor i JILA Postdoc Zhibin Iao elaborirao. „RAM može da kontaminira vaš PDH signal greške.
Kao što su istraživači JILA brzo shvatili, zajedno sa ostatkom zajednice laserske fizike, smanjenje ove RAM memorije je ključno za poboljšanje stabilnosti PDH tehnike i, zauzvrat, njihovih laserskih merenja. Prevazilaženje problema sa RAM memorijom bio je dug put, ali bi novi pristup znatno olakšao borbu.
Dvo-referentne svetlosne „bočne trake“ su neophodne za metod zaključavanja PDH. Da bi generisali „bočne trake“, istraživači JILA-e su morali da koriste frekvencijski modulator, bilo elektro-optički modulator (EOM) ili akusto-optički modulator (AOM).
Istorijski gledano, EOM su korišćeni u različitim optičkim sistemima primenom električnih polja na optičke kristale da bi se promenila faza laserske svetlosti koja dolazi kroz kristal. Kada se električno polje primeni na određene vrste kristala, ono modulira lasersku fazu menjajući indeks prelamanja kristala. Ovaj proces omogućava EOM-ima da lako dodaju bočne trake nosećem snopu.
Međutim, efektivna fazna modulacija kristala koji se koristi u EOM lako se menja fluktuacijama okoline, uvodeći RAM u PDH signal greške i samim tim ga čineći manje stabilnim. U kontekstima gde je potrebna ultra-visoka preciznost, kao što je pokretanje optičkog vremenskog okvira ili rad sa atomskim satom, čak i male količine RAM-a mogu dovesti do fluktuacija na neželjenim nivoima.
„EOM-ovi dodaju bočne trake laserskom nosaču u optičkom domenu, što je za nas izazovnije da kontrolišemo“, objasnio je Kedar. „Umesto toga, možemo pokušati da generišemo ove bočne trake u elektronskom domenu i prevedemo ih u optički koristeći AOM.
AOM predstavljaju noviji pristup smanjenju RAM-a korišćenjem zvučnih talasa za modulaciju laserske svetlosti. Kada se zvučni talas širi kroz kristal ili providni medijum, on stvara difrakcioni obrazac koji savija lasersko svetlo u različitim količinama. Kako svetlosni snop prolazi kroz ovaj medijum izmenjen zvučnim talasom, varijacije indeksa prelamanja deluju kao niz sićušnih prizmi, menjajući putanju i, samim tim, frekvenciju svetlosti.
Kedar je dodao: „Ako želite da kontrolišete amplitudu svakog bočnog pojasa, kontrolišete amplitudu glavnog tona koji generišete u mikrotalasnom domenu preko AOM-a.“ Pošto AOM ne moduliše frekvenciju lasera na osnovu elektro-optičkog efekta, proizvodi mnogo manje RAM buke od EOM, smanjujući ukupan nivo RAM-a sistema. Svi snopovi koji izlaze iz AOM kristala mogu se kombinovati u jedno optičko vlakno, stavljajući sve snopove pomeranja frekvencije u jedan, zajednički profil prostornog moda.
Da bi izmerili prednosti ovog novog PDH pristupa, Kedar, Iao, Ie i ostatak tima su sproveli eksperiment koristeći tradicionalni EOM i njihovu poboljšanu AOM podešavanje i uporedili rezultate. Otkrili su da sa AOM-om mogu smanjiti nivoe RAM-a na mali deo na milion. Podjednako važno, ovaj pristup omogućava mnogo veću fleksibilnost u kontroli relativne snage između nosača i dve bočne trake. Prednost AOM-a je mnogo očiglednija kada nosilac postane potpuno mali.
„Umesto delova na milion, možete da uradite 0,2 dela na milion, što izgleda kao malo poboljšanje, ali to je na neki način pomeranje granice za prihvatljive nivoe RAM-a za nas“, rekao je Kedar. „Iako je ovaj nivo RAM-a tako mali, on je i dalje značajna prepreka za poboljšanje naših šupljina i njihovo poboljšanje. Taj dodatni faktor od dva ili tri je od ogromne pomoći u pomeranju granica najsavremenije laserske stabilizacije.“ “
Jednostavna implementacija AOM-a umesto EOM-a sugeriše odgovor na koji bi čak i Hol bio ponosan. „Dovoljno je jednostavno da, u principu, neko može da pogleda ovu šemu i da je vidi kao prirodnu metodu za ispitivanje spektralne karakteristike“, rekao je Kedar. „Na kraju, ovo govori o istraživačkom stilu koji i Jan i Jun stvaraju: veoma elegantno, jednostavno rešenje.“
