Révolutionner le temps grâce à une technologie laser de pointe

Des travaux pionniers en physique des lasers ont jeté les bases d’avancées significatives en matière de mesure de précision, permettant le développement de techniques réduisant considérablement la modulation d’amplitude résiduelle.

Au sein des communautés de physique atomique et laser, le scientifique John « Jan » Hall est une figure clé de l’histoire de la stabilisation de la fréquence laser et des mesures de précision à l’aide de lasers. Le travail de Hall tournait autour de la compréhension et de la manipulation des lasers stables d’une manière révolutionnaire pour l’époque. Son travail a jeté les bases techniques de la mesure d’un infime changement de distance fractionnaire provoqué par le passage d’une onde gravitationnelle. Ses travaux sur les réseaux laser lui ont valu le prix Nobel de physique en 2005.

S’appuyant sur cette base, Jun Ye, membre du JILA et du NIST, et son équipe se sont lancés dans un voyage ambitieux visant à repousser encore plus loin les limites de la mesure de précision. Cette fois, leur attention s’est tournée vers une technique spécialisée connue sous le nom de méthode Pound-Drever-Hall (PDH) (développée par les scientifiques RV Pound, Ronald Drever et Jan Hall lui-même), qui joue un rôle important dans l’interférométrie optique de précision et la fréquence laser. stabilisation.

Alors que les physiciens utilisent la méthode PDH depuis des décennies pour garantir que la fréquence de leur laser est « verrouillée » de manière stable sur une référence artificielle ou quantique, une limitation découlant du processus de modulation de fréquence lui-même, appelée modulation d’amplitude résiduelle (RAM), peut encore affecter la stabilité et précision des mesures du laser.

Dans un nouveau Optique Dans son article, l’équipe de Ye, en collaboration avec Ivan Ryger et Hall, membre du personnel électronique de JILA, décrit la mise en œuvre d’une nouvelle approche pour la méthode PDH, réduisant la RAM à des niveaux minimaux jamais vus auparavant tout en rendant simultanément le système plus robuste et plus simple.

Comme la technique PDH est mise en œuvre dans diverses expériences, des interféromètres à ondes gravitationnelles aux horloges optiques, son amélioration offre des avancées dans de nombreux domaines scientifiques.

Une plongée dans le « verrouillage » laser

Depuis sa publication en 1983, la méthode PDH a été citée et utilisée des milliers de fois. « La configuration d’un verrou PDH est quelque chose que vous pourriez apprendre dans un cours en laboratoire de premier cycle ; c’est à quel point il est essentiel de réaliser toutes les expériences que nous effectuons en physique atomique », a expliqué un récent doctorant. diplômé Dhruv Kedar, co-premier auteur du journal.

La méthode PDH utilise une approche de modulation de fréquence pour mesurer avec précision les fluctuations de fréquence ou de phase du laser. La modulation de fréquence ajoute des « bandes latérales » spéciales (signaux lumineux supplémentaires) autour d’un faisceau lumineux principal, appelé « porteuse ». La comparaison de ces bandes latérales avec la porteuse principale permet de mesurer tout léger changement de fréquence ou de phase du faisceau lumineux principal par rapport à une référence. Cette technique est particulièrement utile car elle est très sensible et peut réduire les bruits indésirables et les erreurs.

Les physiciens peuvent ensuite utiliser ces faisceaux lumineux combinés pour interroger différents environnements, comme une cavité optique constituée de miroirs. Pour ce faire, les chercheurs doivent « verrouiller » le laser sur la cavité, c’est-à-dire faire en sorte que le laser sonde la cavité à une fréquence particulière.

« Cela signifie que vous essayez de verrouiller votre laser au centre de votre résonance », a ajouté Kedar. Cela permet au laser d’atteindre des niveaux de stabilité de pointe, ce qui est particulièrement important lorsqu’on tente de détecter de minuscules changements dans la longueur optique ou lors de la surveillance de la dynamique quantique, telle que les changements d’énergie ou les changements de spin des atomes et des molécules.

Malheureusement, « verrouiller » un laser ne signifie pas toujours qu’il reste stable ou « en résonance avec le centre de la cavité optique, car le bruit comme la RAM peut modifier les décalages relatifs des faisceaux lumineux de référence et introduire un décalage de fréquence », co-premier. l’auteur et JILA Postdoc Zhibin Yao a élaboré. « La RAM peut contaminer votre signal d’erreur PDH. »

Comme les chercheurs du JILA l’ont rapidement compris, ainsi que le reste de la communauté de la physique des lasers, la réduction de cette RAM est cruciale pour améliorer la stabilité de la technique PDH et, par conséquent, leurs mesures laser. Surmonter le problème de la RAM a été un long combat, mais la nouvelle approche rendrait le combat beaucoup plus facile.

Réduire la RAM via les EOM et les AOM

Les « bandes latérales » à deux lumières de référence sont essentielles pour la méthode de verrouillage PDH. Pour générer les « bandes latérales », les chercheurs de JILA ont dû utiliser un modulateur de fréquence, soit un modulateur électro-optique (EOM), soit un modulateur acousto-optique (AOM).

Historiquement, les MOE ont été utilisés dans divers systèmes optiques en appliquant des champs électriques aux cristaux optiques pour modifier la phase de la lumière laser traversant le cristal. Lorsqu’un champ électrique est appliqué à certains types de cristaux, il module la phase laser en modifiant l’indice de réfraction du cristal. Ce processus permet aux MOE d’ajouter facilement des bandes latérales au faisceau porteur.

Cependant, la modulation de phase efficace du cristal utilisé dans les EOM est facilement altérée par les fluctuations environnementales, introduisant de la RAM dans le signal d’erreur PDH et, par conséquent, le rendant moins stable. Dans les contextes où une très haute précision est requise, comme l’exécution d’une échelle de temps optique ou l’exploitation d’une horloge atomique, même de minuscules quantités de RAM peuvent introduire des fluctuations à des niveaux indésirables.

« Les EOM ajoutent des bandes latérales au laser porteur dans le domaine optique, ce qui est plus difficile à contrôler pour nous », a expliqué Kedar. « Au lieu de cela, nous pouvons essayer de générer ces bandes latérales dans le domaine électronique et de les traduire en optique en utilisant un AOM. »

Les AOM représentent une approche plus récente pour réduire la RAM en utilisant des ondes sonores pour moduler la lumière laser. Lorsqu’une onde sonore se propage à travers un cristal ou un milieu transparent, elle crée un motif de diffraction qui courbe la lumière laser selon différentes quantités. Lorsqu’un faisceau lumineux traverse ce milieu modifié par les ondes sonores, les variations de l’indice de réfraction agissent comme une série de minuscules prismes, modifiant le trajet et donc la fréquence de la lumière.

Kedar a ajouté : « Si vous souhaitez contrôler l’amplitude de chaque bande latérale, vous contrôlez l’amplitude de la tonalité principale que vous générez dans le domaine des micro-ondes via l’AOM. » Étant donné que l’AOM ne module pas la fréquence laser en fonction de l’effet électro-optique, il produit beaucoup moins de bruit RAM que l’EOM, réduisant ainsi le niveau global de RAM du système. Tous les faisceaux sortant du cristal AOM peuvent être combinés dans une seule fibre optique et regrouper tous les faisceaux de décalage de fréquence dans un seul profil de mode spatial commun.

Comparaison d’EOM et d’AOM

Pour mesurer les avantages de cette nouvelle approche PDH, Kedar, Yao, Ye et le reste de l’équipe ont mené une expérience en utilisant à la fois l’EOM traditionnel et leur configuration AOM améliorée et ont comparé les résultats. Ils ont découvert qu’avec l’AOM, ils pouvaient réduire les niveaux de RAM de parties par million à une petite fraction de parties par million. Tout aussi important, cette approche permet beaucoup plus de flexibilité dans le contrôle de la force relative entre la porteuse et les deux bandes latérales. L’avantage de l’AOM est beaucoup plus évident lorsque le transporteur devient extrêmement petit.

« Au lieu de parties par million, vous pouvez faire environ 0,2 parties par million, ce qui semble être une petite amélioration, mais cela correspond en quelque sorte à des niveaux de RAM acceptables pour nous », a expliqué Kedar. « Même si ce niveau de RAM est si faible, il constitue toujours un obstacle important à l’amélioration de nos cavités et à leur légère amélioration. Ce facteur supplémentaire de deux ou trois est extrêmement utile pour repousser les frontières de la stabilisation laser de pointe.

Développer l’héritage

La simple implémentation d’AOM au lieu d’EOM suggère une réponse dont même Hall serait fier. « C’est assez simple pour qu’en principe, quelqu’un puisse examiner ce schéma et le voir comme une méthode naturelle pour interroger une caractéristique spectrale », a expliqué Kedar. « En fin de compte, cela témoigne du style de recherche créé par Jan et Jun : une solution simple et très élégante. »