מהפכה בזמן עם טכנולוגיית לייזר חדשנית

עבודה חלוצית בפיזיקה של הלייזר הניחה את הבסיס להתקדמות משמעותית במדידה מדויקת, המאפשרת פיתוח טכניקות המפחיתות באופן משמעותי אפנון משרעת שיורית.

בתוך קהילות פיסיקה אטומית ולייזר, המדען ג'ון "ג'אן" הול הוא דמות מפתח בהיסטוריה של ייצוב תדר הלייזר ומדידה מדויקת באמצעות לייזרים. עבודתו של הול נסבה סביב הבנה וטיפול בלייזרים יציבים בדרכים שהיו מהפכניות לזמנם. עבודתו הניחה בסיס טכני למדידת שינוי מרחק זעיר שנגרם על ידי גל כבידה חולף. עבודתו במערך לייזר זיכתה אותו בפרס נובל לפיזיקה ב-2005.

בהתבסס על הבסיס הזה, עמית JILA ו-NIST Jun Ye והצוות שלו יצאו למסע שאפתני כדי לדחוף את גבולות המדידה המדויקת עוד יותר. הפעם, ההתמקדות שלהם פנתה לטכניקה מיוחדת המכונה שיטת Pound-Drever-Hall (PDH) (שפותחה על ידי המדענים RV Pound, רונלד דרבר וג'אן הול עצמו), אשר ממלאת תפקיד גדול בהתערבות אופטית מדויקת ובתדר לייזר. ייצוב.

בעוד שפיזיקאים השתמשו בשיטת PDH במשך עשרות שנים כדי להבטיח שתדר הלייזר שלהם "נעול" באופן יציב להתייחסות מלאכותית או קוונטית, מגבלה הנובעת מתהליך אפנון התדר עצמו, הנקראת אפנון משרעת שיורית (RAM), עדיין יכולה להשפיע על היציבות. דיוק של מדידות הלייזר.

בחדש אופטיקה נייר, הצוות של Ye, שעובד עם חבר הצוות האלקטרוני של JILA, איבן ריגר והול, מתאר הטמעת גישה חדשה לשיטת PDH, הפחתת זיכרון RAM לרמות מינימליות שטרם נראו, ובו בזמן הופכת את המערכת לחזקה ופשוטה יותר.

מכיוון שטכניקת ה-PDH מיושמת בניסויים שונים, מאינטרפרומטרים של גלי כבידה ועד לשעונים אופטיים, שיפור זה מציע התקדמות למגוון תחומים מדעיים.

צלילה לתוך לייזר "נעילה"

מאז פרסומו בשנת 1983, שיטת PDH צוטטה והשתמשה באלפי פעמים. "הגדרת מנעול PDH היא משהו שאתה עשוי ללמוד בקורס מעבדה לתואר ראשון; זה עד כמה מרכזי זה עושה את כל הניסויים שאנו עושים בפיזיקה האטומית", הסביר Ph.D לאחרונה. בוגר דרוב קידר, הכותב הראשון של העיתון.

שיטת PDH משתמשת בגישת אפנון תדר כדי למדוד במדויק את תדר הלייזר או תנודות הפאזה. אפנון התדר מוסיף "פסי צד" מיוחדים (אותות אור נוספים) סביב אלומת אור ראשית, המכונה "הנשא". השוואה של פסי צד אלה מול הספק הראשי עוזרת למדוד כל שינוי קל בתדירות, או הפאזה, של אלומת האור הראשית ביחס להתייחסות. טכניקה זו שימושית במיוחד מכיוון שהיא מאוד רגישה ויכולה להפחית רעשים ושגיאות לא רצויות.

לאחר מכן, פיזיקאים יכולים להשתמש באלומות האור המשולבות הללו כדי לחקור סביבות שונות, כגון חלל אופטי העשוי ממראות. לשם כך, על החוקרים "לנעול" את הלייזר לחלל, כלומר לגרום ללייזר לחקור את החלל בתדר מסוים.

"מה שזה אומר הוא שאתה מנסה לנעול את הלייזר שלך למרכז התהודה שלך", הוסיף קידר. זה מאפשר ללייזר להגיע לרמות יציבות מתקדמות, מה שחשוב במיוחד כאשר מנסים להתגרות בשינויים זעירים באורך האופטי או בעת ניטור דינמיקה קוונטית, כגון שינויי אנרגיה או שינויים בספין באטומים ובמולקולות.

למרבה הצער, "נעילת" לייזר לא תמיד אומר שהוא נשאר יציב או "בתהודה עם מרכז החלל האופטי, מכיוון שרעש כמו זיכרון RAM יכול לשנות את ההיסטים היחסיים של קרני האור הייחוס ולהציג שינוי תדר", ראשית. הסופר ו-JILA Postdoc Zhibin Yao פירטו. "זיכרון ה-RAM יכול לזהם את אות השגיאה של ה-PDH שלך."

כפי שהבינו חוקרי JILA במהירות, יחד עם שאר קהילת הפיזיקה של הלייזר, הפחתת זיכרון RAM זה חיונית לשיפור היציבות של טכניקת PDH, ובתורה, מדידות הלייזר שלהם. ההתגברות על בעיית ה-RAM הייתה מאבק ארוך, אבל הגישה החדשה תהפוך את המאבק להרבה יותר קל.

הפחתת זיכרון RAM באמצעות EOMs ו-AOMs

"רצועות הצד" בעלי שני הפניות חיוניים לשיטת הנעילה של PDH. כדי ליצור את 'פסי הצד', חוקרי JILA היו צריכים להשתמש במאפנן תדרים, או מאפנן אלקטרו-אופטי (EOM) או מאפנן אקוסטו-אופטי (AOM).

היסטורית, EOMs הופעלו במערכות אופטיות שונות על ידי הפעלת שדות חשמליים על גבישים אופטיים כדי לשנות את השלב של אור הלייזר המגיע דרך הגביש. כאשר שדה חשמלי מופעל על סוגים מסוימים של גבישים, הוא מווסת את שלב הלייזר על ידי שינוי מקדם השבירה של הגביש. תהליך זה מאפשר ל-EOMs להוסיף פסי צד לקרן הנשא בקלות.

עם זאת, אפנון הפאזה האפקטיבי של הגביש המשמש ב-EOMs משתנה בקלות על ידי תנודות סביבתיות, החדרת RAM לתוך אות השגיאה PDH, וכתוצאה מכך, הופכת אותו לפחות יציב. בהקשרים שבהם נדרש דיוק גבוה במיוחד, כמו הפעלת טווח זמן אופטי או הפעלת שעון אטומי, אפילו כמויות זעירות של זיכרון RAM עלולות להכניס תנודות ברמות לא רצויות.

"EOMs מוסיפים פסי צד ללייזר הנשא בתחום האופטי, וזה יותר מאתגר לשלוט עלינו", הסביר קידר. "אז במקום זאת, אנחנו יכולים לנסות ליצור פסי צד אלה בתחום האלקטרוני ולתרגם אותם לאופטי באמצעות AOM."

AOMs מייצגים גישה חדשה יותר להפחתת זיכרון RAM על ידי שימוש בגלי קול כדי לווסת את אור הלייזר. כאשר גל קול מתפשט דרך גביש או מדיום שקוף, הוא יוצר תבנית עקיפה המכופפת את אור הלייזר בכמויות שונות. כאשר אלומת אור עוברת דרך המדיום שהשתנה בגלי קול, הווריאציות במקדם השבירה פועלות כמו סדרה של מנסרות זעירות, ומשנות את הנתיב, ובכך, את תדירות האור.

קידר הוסיף, "אם אתה רוצה לשלוט על המשרעת של כל פס צדדי, אתה שולט על משרעת הטון הראשי שאתה מייצר בתחום המיקרוגל דרך ה-AOM." מכיוון שה-AOM אינו מווסת את תדר הלייזר על סמך האפקט האלקטרו-אופטי, הוא מייצר הרבה פחות רעשי RAM מאשר EOM, ומפחית את רמת ה-RAM הכוללת של המערכת. ניתן לשלב את כל האלומות היוצאות מהגביש של AOM בסיב אופטי אחד, ולהכניס את כל אלומות הסטת התדר לפרופיל מצב מרחבי יחיד ומשותף.

השוואה בין EOM ל-AOM

כדי למדוד את היתרונות של גישת PDH חדשה זו, קידר, יאו, יה ושאר הצוות הפעילו ניסוי תוך שימוש ב-EOM המסורתי וגם בהגדרת AOM המשופרת שלהם והשוו את התוצאות. הם גילו שעם ה-AOM, הם יכולים להפחית את רמות ה-RAM מחלקים למיליון לשבריר קטן של חלקים למיליון. לא פחות חשוב מכך, גישה זו מאפשרת הרבה יותר גמישות בשליטה על החוזק היחסי בין הנשא ושני פסי הצד. יתרון ה-AOM ברור הרבה יותר כאשר הספק הופך להיות קטן כלאחר יד.

"במקום חלקים למיליון, אתה יכול לעשות כמו 0.2 חלקים למיליון, מה שנראה כמו שיפור קטן, אבל זה סוג של מעבר לרמות המקובלות של RAM עבורנו", פירט קידר. "למרות שרמת ה-RAM הזו כל כך קטנה, היא עדיין מחסום דרכים משמעותי לשיפור החללים שלנו והפיכתם מעט יותר טוב. הגורם הנוסף הזה של שניים או שלושה עוזר מאוד בדחיפת הגבולות של ייצוב לייזר חדיש".

מרחיב את המורשת

היישום הפשוט של AOM במקום EOM מציע תשובה שאפילו הול היה גאה בה. "זה פשוט מספיק, שבאופן עקרוני, מישהו יכול להסתכל על התוכנית הזו ולראות בה שיטה טבעית לחקור תכונה ספקטרלית", הרחיב קידר. "בסופו של דבר, זה מדבר על סגנון המחקר שיאן וג'ון יוצרים שניהם: פתרון מאוד אלגנטי ופשוט".