在原子和激光物理界，科学家约翰“简”霍尔已经成为历史上的激光频率稳定和精密测量使用激光的关键人物。霍尔的工作围绕着理解和操纵稳定的激光器，这在当时是革命性的。他的工作为测量引力波通过所带来的微小分数距离变化奠定了技术基础。他在激光阵列方面的工作使他获得了2005年的诺贝尔物理学奖。
在此基础上，JILA和NIST研究员叶军及其团队开始了雄心勃勃的旅程，以进一步推动精密测量的界限。这一次，他们的重点转向了一种被称为庞德-德雷弗-霍尔(PDH)方法的专业技术(由科学家R. V.庞德、罗纳德·德雷弗和霍尔本人开发)，它在精密光学干涉测量和激光频率稳定中起着重要作用。
虽然几十年来物理学家一直使用PDH方法来确保他们的激光频率稳定地“锁定”到人工或量子参考，但频率调制过程本身产生的限制，称为剩余幅度调制(RAM)，仍然会影响激光测量的稳定性和准确性。
在最近的Optica论文中，Ye的团队与JILA电子工作人员Ivan Ryger和Hall合作，实现了PDH方法的一种新方法，将RAM减少到前所未有的最低水平，同时使系统更强大，更简单。
由于PDH技术在各种实验中得到应用，从引力波干涉仪到光学时钟，进一步改进PDH技术将为一系列科学领域提供进步。
自1983年发布以来，PDH方法已被引用和使用了数千次。“设置PDH锁可能是你在本科实验课上学到的东西;这就是我们在原子物理学中所做的所有实验的核心，”最近获得博士学位的候选人Dhruv Kedar解释说，他是该论文的第一作者之一。
PDH方法采用调频方法来精确测量激光的频率或相位波动。频率调制在被称为“载波”的主光束周围增加特殊的“边带”(或额外的光信号)。
将这些边带与主载波进行比较有助于测量主光束相对于参考的频率或相位的任何微小变化。这项技术特别有用，因为它非常敏感，可以拒绝不必要的噪音和错误。
然后，物理学家可以使用这些组合光束来研究不同的环境，例如由镜子制成的光学腔。要做到这一点，研究人员必须将激光“锁定”在腔内，或者让激光以特定的频率探测腔。
“这意味着你试图将激光锁定在共振的中心，”基达尔补充说。这使得激光达到了最先进的稳定水平，这在试图梳理光学长度的微小变化或监测量子动力学(如原子和分子的能量转移或自旋变化)时尤为重要。
不幸的是，“锁定”激光并不总是意味着它保持稳定或“与光学腔的中心共振，因为像RAM这样的噪声会改变参考光束的相对偏移量，并引入频移，”共同第一作者、JILA博士后姚志斌解释说。RAM会污染PDH错误信号。
JILA的研究人员很快意识到，减少RAM对于提高PDH技术的稳定性至关重要，反过来，他们的激光测量也至关重要。克服内存问题是一个漫长的过程，但新的方法将使战斗变得容易得多。
双参考光“侧带”对于PDH锁定方法是必不可少的。为了产生“边带”，JILA的研究人员需要使用频率调制器，要么是电光调制器(EOM)，要么是声光调制器(AOM)。
从历史上看，EOMs已被用于各种光学系统，通过在光学晶体上施加电场来改变通过晶体的激光的相位。当电场作用于某些类型的晶体时，它通过改变晶体的折射率来调节激光相位。这一过程使得eom可以很容易地在载波波束上添加边带。
然而，在EOMs中使用的晶体的有效相位调制很容易被环境波动改变，将RAM引入PDH误差信号，从而使其不太稳定。在需要超高精度的环境中，例如运行光学时间标度或操作原子钟，即使是极少量的RAM也会在不希望的水平上引入波动。
Kedar解释说:“EOMs在光学领域为载波激光增加了边带，这对我们来说更具挑战性。”“因此，我们可以尝试在电子领域产生这些边带，并通过使用AOM将它们转换为光学。”
AOMs代表了一种利用声波调制激光来减少RAM的新方法。当声波通过晶体或透明介质传播时，它会产生衍射图案，使激光发生不同程度的弯曲。当光束穿过这种声波改变的介质时，折射率的变化就像一系列微小的棱镜一样，改变了光的路径，从而改变了光的频率。
Kedar补充说:“如果你想控制每个边带的振幅，你可以控制通过AOM在微波域中产生的主音调的振幅。”由于AOM不基于电光效应调制激光频率，因此它产生的RAM噪声比EOM少得多，从而降低了系统的整体RAM水平。所有从AOM晶体发出的光束都可以组合在一根光纤中，将所有的频移光束放入一个单一的公共空间模式剖面中。
为了衡量这种新的PDH方法的优势，Kedar, Yao, Ye和团队的其他成员使用传统的EOM和他们改进的AOM设置进行了实验，并比较了结果。他们发现，使用AOM，他们可以将RAM水平降低到百万分之一的一小部分。同样重要的是，这种方法在控制载波和两个边带之间的相对强度方面具有更大的灵活性。当航母变得非常小时，AOM的优势更加明显。
Kedar说:“比起百万分之0.2，你可以做到百万分之0.2，这似乎是一个小小的改进，但这对我们来说是可以接受的内存水平。”“尽管这个内存水平很小，但它仍然是改善我们的蛀牙并使它们稍微好一点的一个重大障碍。这两个或三个额外的因素对推动最先进的激光稳定的前沿非常有帮助。”
简单地实现AOM而不是EOM，这是一个连霍尔都引以为傲的答案。“这很简单，原则上，有人可以看到这个方案，并将其视为询问光谱特征的自然方法，”Kedar说。“最后，这说明了Jan和Jun共同创造的研究风格:一个非常优雅、简单的解决方案。”
