La fisica dei laser ha subito una vera e propria rivoluzione grazie al lavoro pionieristico di scienziati come John “Jan” Hall, che ha gettato le basi per lo sviluppo di tecniche di misurazione di precisione in grado di ridurre significativamente la modulazione residua dell’ampiezza (RAM). Il lavoro di Hall, incentrato sulla comprensione e manipolazione dei laser stabili, ha permesso di misurare variazioni frazionarie di distanza estremamente piccole, come quelle causate dalle onde gravitazionali. La sua ricerca gli è valsa il Premio Nobel per la Fisica nel 2005.
Sulla scia di Hall, il team di Jun Ye, Fellow di JILA e NIST, ha intrapreso un ambizioso progetto per spingere ulteriormente i limiti della misurazione di precisione. Il loro obiettivo era perfezionare una tecnica specializzata nota come metodo Pound-Drever-Hall (PDH), sviluppato dagli scienziati R. V. Pound, Ronald Drever e lo stesso Jan Hall, che riveste un ruolo fondamentale nell’interferometria ottica di precisione e nella stabilizzazione della frequenza laser.
Nonostante il metodo PDH sia stato utilizzato per decenni per garantire che la frequenza del laser sia stabilmente “bloccata” su un riferimento artificiale o quantistico, la RAM, un limite derivante dal processo di modulazione della frequenza, può ancora influenzare la stabilità e l’accuratezza delle misurazioni del laser. In un nuovo articolo pubblicato su Optica, il team di Ye, in collaborazione con Ivan Ryger e Hall, descrive l’implementazione di un nuovo approccio per il metodo PDH, che riduce la RAM a livelli mai visti prima, rendendo il sistema più robusto e semplice.
Il metodo PDH utilizza un approccio di modulazione della frequenza per misurare con precisione le fluttuazioni della frequenza o della fase del laser. Questa tecnica è particolarmente utile perché è molto sensibile e può ridurre rumori e errori indesiderati. Tuttavia, la RAM può alterare gli offset relativi dei fasci di luce di riferimento e introdurre uno spostamento della frequenza, contaminando il segnale di errore PDH.
Per generare le “bande laterali” essenziali per il metodo di blocco PDH, i ricercatori di JILA hanno utilizzato un modulatore di frequenza, come un modulatore elettro-ottico (EOM) o un modulatore acusto-ottico (AOM). Gli EOM, che applicano campi elettrici a cristalli ottici per cambiare la fase della luce laser, sono stati storicamente impiegati in vari sistemi ottici. Tuttavia, la modulazione della fase del cristallo utilizzata negli EOM è facilmente alterata dalle fluttuazioni ambientali, introducendo RAM nel segnale di errore PDH.
Gli AOM rappresentano un approccio più recente per ridurre la RAM, utilizzando onde sonore per modulare la luce laser. Questo processo permette agli AOM di aggiungere bande laterali al fascio portante con molto meno rumore RAM rispetto agli EOM, riducendo il livello complessivo di RAM del sistema.
Per misurare i vantaggi di questo nuovo approccio PDH, il team ha condotto un esperimento utilizzando sia l’EOM tradizionale che la loro configurazione AOM migliorata, confrontando i risultati. Hanno scoperto che con l’AOM, potevano ridurre i livelli di RAM da parti per milione a una piccola frazione di parti per milione, offrendo una maggiore flessibilità nel controllare la forza relativa tra il portante e le due bande laterali.
