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Ronald Drever留給激光科學的“財產”

星之球科技 來源:中國光學期刊網2017-05-10 我要評論(0 )   

最近幾周全球各地多家報紙和科學網站報道了一則令人難過的消息:蘇格蘭物理學家Ronald Drever,引力波探測的先驅者,于3月7日逝世,享年85歲。世人關注的焦點自然而然集...

羅納德·德雷弗(Ronald Drever)以聯合創立LIGO項目和引力波研究而聞名,同時他對激光穩定的貢獻對光子學界有廣泛的影響。

最近幾周全球各地多家報紙和科學網站報道了一則令人難過的消息:蘇格蘭物理學家Ronald Drever,引力波探測的先驅者,于3月7日逝世,享年85歲。世人關注的焦點自然而然集中在Drever聯合創建美國激光干涉儀引力波觀測臺(LIGO)項目方面的貢獻。去年該項目通過改進靈敏度,首次報道稱發現引力波——這是令人難以置信的壯舉,享譽全球。
 
然而,也許沒有被廣泛認可的是,Drever研究的創新之處已經成為激光科學的重要一環。 所謂的創新即Pound–Drever–Hall (PDH)激光穩定方案,激光器的發射頻率通過光學法布里——珀羅腔的諧振被高精度鎖定。PDH穩定方法不僅在高靈敏度干涉引力波檢測器開發中發揮了重要作用,而且由于實驗需要窄線寬穩定激光器,而成為超細原子光譜、光頻標準和量子光學的重要且廣泛使用的工具。
 
20世紀70年代,Drever在格拉斯哥大學首次開始了他的引力波檢測研究,在那里他和Jim Hough成立了研究小組,主要研究設計、建造和穩定大型光學干涉儀,Jim Hough是格拉斯哥大學引力波研究所主任。20世紀80年代初,Drever搬到美國加州理工學院,與加州理工學院的Kip Thorne和麻省理工學院的Rai Weiss合作,三人創立了LIGO項目,在哈佛和利文斯頓設立兩個獨立的臂長4公里的巨型L型干涉儀。
 
PDH項目被首次提出是在1983年發表于《Applied Physics B》雜志的文章“使用光學諧振器穩定激光相位和頻率”,文章由格拉斯哥的Drever,Hough等人和來自國家標準局和科羅拉多大學的John Hall和Frank Kowalski等人共同執筆。 該方法依賴于捕獲和分析光學法布里——珀羅腔反射的已被射頻信號相位調制的激光束。所得到的相位測量結果能夠給出激光頻率相對于腔諧振的相對位置的信息,并且向激光控制電路反饋誤差信號進而穩定激光器。據Thomson Reuters科學網報道,世界各地的光學實驗室都在使用該技術,該論文被引用了2000多次。
Ron Drever在他的實驗室。感謝J. Hough。
 
有趣的是,在這篇論文中,Pound并不是作者之一。Drever的靈感是基于相位穩定的光學模擬,而在20世紀40年代,哈佛物理學家Robert Pound已經開發這項技術用以穩定微波頻率,這就是為什么Pound的名字是這項技術的代名詞。“20世紀50年代,Drever與Pound一起工作了一年,也許靈感源于這一經歷。” Hough解釋道,他是1983年那篇文章的作者之一,記得很多寫作細節。“Pound沒有在文章中署名,但他的工作是被公認的。”
 
Drever后來聯系了科羅拉多州的John(通常叫Jan)Hall,一位在高分辨率光譜學方面享有聲望的實驗專家,進而使他的想法成為現實。后來,Hall因光譜光頻梳的研究成果獲得了2005年諾貝爾物理獎。Hough說:“Jan Hall和Drever都非常尊重彼此。”
 
1983年論文中報道的實驗提到,鎖定染料激光和氣體激光穩定腔并實現了100Hz量級的線寬。如今的方案改進和腔優化意味著60 mHZ的線寬是可能的。
 
科羅拉多州的Jun Ye在退休之前與Hall以及加州理工學院的Drever一塊工作。自從他在學生時代初次接觸PDH以來,他的大部分職業生涯都在使用PDH方案。他說:“PDH方案具有令人難以置信的可靠性,使其真正成為主要的鎖定機制。從今往后,我們仍然會使用它來嘗試制造線寬僅為幾毫赫茲的超穩定激光器。”
 
重要的是,與其他穩定方案相比,PDH方案反應迅速,并且由于它是基于相位的,因此它很大程度上不受強度波動的影響,十分可靠。加之它的高效性,及其相對簡單的方式和低廉的價格,使它成為一種非常流行的技術。
 
法國巴黎Kastler Brossel實驗室研究員Sylvain Gigan回憶說,他在量子光學博士期間花費了大量時間,盯著PDH方案的誤差信號。“PDH技術是以非常簡單可靠的方式獲得誤差信號。還有很多其他國家的技術,但據我看來,PDH技術絕對是迄今為止最可靠的技術,”他在《Nature Photonics》中說道,“對我來說,這項技術在Drever的職業生涯中可能被認為是次要的,更重要的是這是光學模擬信號處理的完美范例之一,也絕對是創造激光歷史的最佳范例之一。”

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羅納德·德雷弗激光技術貢獻
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