Khoa Vật lý của Đại học Thanh Hoa đạt được tiến bộ quan trọng trong công nghệ loại bỏ tiếng ồn pha tần số cao bằng laser

Kể từ khi tia laser đầu tiên ra đời vào năm 1960, công nghệ laser đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực vật lý khác nhau, chẳng hạn như truyền thông laser, quang phổ laser, bàn đạp khí hạt laser và giao thoa kế laser. Trong các nghiên cứu thực nghiệm về vật lý nguyên tử, phân tử và quang học, hiệu suất của laser quyết định khả năng thao tác các hạt vi mô như nguyên tử và phân tử. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học và công nghệ lượng tử, các yêu cầu của các thí nghiệm khoa học đối với laser đã được cải thiện hơn nữa. Ví dụ, để thao tác chính xác trạng thái lượng tử của nguyên tử và nhận ra các cổng logic lượng tử có độ chính xác cao, con người cần các laser có tần số tuyệt đối ổn định và độ nhiễu pha cực thấp. Để loại bỏ sự trôi tần số của laser, ba nhà vật lý Robert Pound, Ronald Drever và John Hall (gọi tắt là PDH) đã phát triển một phương pháp dựa trên kỹ thuật điều chế-giải điều chế để khóa tần số laser vào khoang quang Fabry-Perot. Phương pháp này cực kỳ hiệu quả trong việc ngăn chặn tần số thấp (<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.

Hình 1 Sơ đồ thiết bị thử nghiệm cũng như sơ đồ hiệu ứng. (a) Thiết bị ổn định tần số phản hồi PDH điển hình (khu vực nền trắng) và thiết bị khử nhiễu pha truyền thẳng PDH (khu vực bóng mờ màu xanh lam). (b) Phổ của sự khác biệt bên ngoài giữa ánh sáng đầu ra và ánh sáng truyền từ khoang siêu ổn định. Phổ màu đỏ là phổ ngoại lệ khi không sử dụng truyền thẳng PDH và phổ màu xanh lam là phổ ngoại lệ khi sử dụng truyền thẳng PDH.
Gần đây, nhóm Mung-Kun Cheng-Yuli tại Khoa Vật lý, Đại học Thanh Hoa đã phát triển một kỹ thuật mới để khử nhiễu pha laser, có thể triệt tiêu tới bốn bậc độ lớn nhiễu pha tần số cao trong phạm vi MHz, tốt hơn một đến hai bậc độ lớn so với tất cả các phương pháp khử nhiễu pha dựa trên phản hồi/truyền tiếp trước đây. Phương pháp này là sự mở rộng thông minh của kỹ thuật ổn định tần số PDH cổ điển. Họ phát hiện ra rằng khi sử dụng phản hồi PDH để khóa tần số laser vào khoang siêu ổn định, tín hiệu lỗi còn lại tỷ lệ thuận với độ dịch pha laser theo thời gian thực trong vùng tần số cao. Do đó, họ đề xuất một sơ đồ truyền tiếp mới bằng cách thêm một đoạn sợi quang dài mười mét vào thiết lập công nghệ PDH ban đầu để làm trễ trường ánh sáng laser, bù cho độ trễ thời gian do quá trình tạo tín hiệu lỗi PDH gây ra, sau đó áp dụng tín hiệu PDH này vào tinh thể điện quang điều chế pha của trường ánh sáng để loại bỏ nhiễu pha laser (Hình 1).

Hình 2 Đường cong biến thiên của hệ số triệt nhiễu pha theo tần số nhiễu cho phương pháp truyền thẳng PDH. Các chấm đỏ trong hình biểu diễn dữ liệu đo được thực nghiệm, và đường liền màu xanh lá cây biểu diễn giá trị lý thuyết của hệ số triệt nhiễu pha theo phương pháp lọc khoang quang.
Nhóm nghiên cứu đã đo hiệu ứng triệt tiêu của phương pháp truyền thẳng PDH đối với nhiễu pha ở các tần số khác nhau và thấy rằng phương pháp này có thể triệt tiêu hiệu quả nhiễu pha laser lên đến 20 MHz với lời giải thích lý thuyết (Hình 2). Đối với các tần số thấp hơn, họ thấy rằng phương pháp truyền thẳng tương đương với phương pháp lọc khoang quang học, nhưng không hạn chế công suất laser truyền đi nghiêm trọng như phương pháp sau. Đối với các tần số cao hơn, hiệu quả của phương pháp có thể được tăng cường hơn nữa bằng cách thu hẹp hiệu ứng phân tán của các thiết bị điện tử. Điều đáng nói là các mạch được sử dụng để khuếch đại tín hiệu lỗi để tạo ra tín hiệu truyền thẳng trong công trình này đã được các thành viên trong nhóm phát triển và thiết kế, tạo nền tảng vững chắc để công trình được phổ biến và ứng dụng hơn nữa.
Người đánh giá đã bình luận rất cao về công trình này: "Kỹ thuật PDH được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm đo lường thời gian-tần số, quang phổ học và vật lý nguyên tử. Nghiên cứu về việc triệt nhiễu pha laser trong dải tần số MHz đã nhận được nhiều sự chú ý và quan trọng đối với nhiều ứng dụng. Kết hợp với các kỹ thuật đơn giản được trình bày trong bài báo này, tôi tin rằng nghiên cứu này sẽ có tác động rộng rãi và có thể thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi các sơ đồ truyền tiếp". Nghiên cứu đã được công bố dưới tiêu đề "Pound-Drever-Hall truyền tiếp: triệt nhiễu pha laser vượt ra ngoài phản hồi" vào ngày 9 tháng 7 năm 2024 trên tạp chí quang học Optica.