ในฟิสิกส์เชิงแสงการปรับความถี่เลเซอร์คือการปรับความถี่ของเลเซอร์ให้เบี่ยงเบนเล็กน้อยจากความถี่เรโซแนนซ์ของระบบควอนตัมเมื่อใช้เป็นคำนาม การปรับความถี่เลเซอร์หมายถึงความแตกต่างระหว่างความถี่ เรโซแนนซ์ ของระบบและความถี่เชิงแสง (หรือความยาวคลื่น ) ของเลเซอร์ เลเซอร์ที่ปรับความถี่ต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์เรียกว่าเลเซอร์ที่ปรับความถี่สีแดงและเลเซอร์ที่ปรับความถี่สูงกว่าเรโซแนนซ์เรียกว่าเลเซอร์ที่ปรับความถี่สีน้ำเงิน^{[ 1 ]}เทคนิคนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งใน การทดลองฟิสิกส์ AMOและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องมากมาย เนื่องจากช่วยให้สามารถควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารได้อย่างแม่นยำสูง การปรับความถี่มีประโยชน์ในการวิจัยหลายสาขา รวมถึงทัศนศาสตร์ควอนตัมการทำความเย็นด้วยเลเซอร์และสเปกโทรสโกปี^{[ 2 ]}นอกจากนี้ยังเป็นพื้นฐานสำหรับเทคโนโลยีอะตอมและควอนตัมสมัยใหม่และที่กำลังเกิดขึ้นใหม่มากมาย เช่นนาฬิกาอะตอมคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเซ็นเซอร์ควอนตัม ด้วยการปรับค่าเบี่ยงเบนความถี่ นักวิจัยและวิศวกรสามารถควบคุมกระบวนการดูดกลืน การปล่อย และการกระเจิง ทำให้มันเป็นเครื่องมืออเนกประสงค์ทั้งในฟิสิกส์พื้นฐานและฟิสิกส์ประยุกต์

พิจารณาระบบที่มีความถี่เรโซแนนซ์อยู่ในช่วงความถี่แสงของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้ากล่าวคือ มีความถี่ตั้งแต่ไม่กี่เทราเฮิร์ตซ์ถึงไม่กี่เพตาเฮิร์ตซ์ หรือเทียบเท่ากับความยาวคลื่นในช่วง 10 นาโนเมตรถึง 100 ไมโครเมตร ตัวอย่างที่พบได้บ่อยที่สุดของระบบเรโซแนนซ์ในช่วงความถี่แสงดังกล่าว ได้แก่โพรงแสง (โพรงแสงในพื้นที่ว่าง โพรงแสงในเส้นใย หรือโพรงแสงขนาดเล็ก ) อะตอมและไดอิเล็กทริกหรือสาร กึ่ง ตัวนำ การปรับความถี่ของเลเซอร์มีความสำคัญสำหรับระบบเรโซแนนซ์เช่นโพรงแสง เนื่องจากเป็นตัวกำหนดเฟส (โมดูลัส 2 ) ที่เลเซอร์ได้รับในแต่ละรอบการเดินทาง ซึ่งมีความสำคัญสำหรับกระบวนการทางแสงเชิงเส้น เช่น การแทรกสอดและการกระเจิง และมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับ กระบวนการ ทางแสงที่ไม่เป็นเชิง เส้น เนื่องจากส่งผลต่อเงื่อนไข การจับคู่เฟส${\displaystyle \omega _{0}}$${\displaystyle \pi }$

หากระบบนี้ถูกกระตุ้นด้วยเลเซอร์ที่มีความถี่ใกล้เคียงกับความถี่เรโซแนนซ์ค่าเบี่ยงเบนความถี่ของเลเซอร์จะถูกกำหนดดังนี้: ${\displaystyle \omega _{L}}$${\displaystyle \omega _{0}}$

${\displaystyle \Delta {\overset {\underset {\mathrm {def} }{}}{=}}\ \omega _{L}-\omega _{0}}$

ความแตกต่างนี้เป็นตัวกำหนดว่าเลเซอร์จะทำปฏิกิริยากับระบบอย่างไร ถ้าเลเซอร์จะเบี่ยงเบนไปทางสีน้ำเงิน และถ้าเลเซอร์จะเบี่ยงเบนไปทางสีแดง ${\displaystyle (\Delta )}$${\displaystyle \Delta >0}$${\displaystyle \Delta <0}$

ความน่าจะเป็นของการเกิดการปล่อยหรือการดูดกลืนแสงแบบกระตุ้นขึ้นอยู่กับความแรงของการเบี่ยงเบนความถี่ และแสดงโดย รูปทรงแบบ ลอเรนซ์ :

${\displaystyle P(\omega )\propto {\frac {\Gamma ^{2}}{(\omega -\omega _{0})^{2}+\Gamma ^{2}}}}$

ความกว้างของเส้นสเปกตรัมตามธรรมชาติของการเปลี่ยนสถานะอะตอมอยู่ ที่ใด${\displaystyle \Gamma }$

ในกรอบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ เช่น ในกรณีที่อะตอมที่เกี่ยวข้องเคลื่อนที่สัมพันธ์กับการแพร่กระจายของเลเซอร์ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์จะปรับเปลี่ยนค่าความคลาดเคลื่อน:

${\displaystyle \Delta =\omega -(\omega _{0}+{\vec {k}}\cdot {\vec {v}})}}$

โดยที่ คือ เวกเตอร์คลื่นของเลเซอร์และคือความเร็วของอะตอม การปรับความถี่ของเลเซอร์ในลักษณะนี้ให้มีค่าการเลื่อนไปทางสีแดงที่เฉพาะเจาะจง เป็นพื้นฐานของการทำความเย็นแบบดอปเปลอร์ ${\displaystyle {\vec {k}}}$${\displaystyle {\vec {v}}}$

สำหรับเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง การกระจายพลังงานจะเกิดขึ้น ทำให้ความกว้างของเส้นสเปกตรัมเปลี่ยนแปลงไป ความถี่ราบี (Rabi frequency) ใช้ในการวัดความแรงของการเชื่อมต่อระหว่างอะตอมกับเลเซอร์ และมีความสัมพันธ์กับการเบี่ยงเบนความถี่โดยใช้สูตรราบีแบบทั่วไป: ${\displaystyle (\Omega )}$

${\displaystyle \Omega _{\text{eff}}={\sqrt {\Omega ^{2}+\Delta ^{2}}}}$

แนวคิดเรื่องการปรับความถี่เลเซอร์เกิดขึ้นควบคู่ไปกับการทดลองที่สำคัญในฟิสิกส์เลเซอร์ ตัวอย่างแรกๆ ของงานที่มีผลกระทบสูงซึ่งแสดงให้เห็นถึงการใช้งานจริงของการปรับความถี่เลเซอร์คือ การวิจัย ของ Arthur Ashkinในช่วงทศวรรษ 1970 ซึ่งส่งผลให้เกิด การสาธิต การดักจับด้วยแสง เป็นครั้งแรก ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2018 ^{[ 3 ]}ความก้าวหน้าพื้นฐานอีกประการหนึ่งในฟิสิกส์เลเซอร์ที่ใช้การปรับความถี่คือ การพัฒนา Doppler cooling ของ Steven Chuในช่วงทศวรรษ 1980 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงบทบาทของเลเซอร์ที่ปรับความถี่สีแดงในการลดความเร็วของอะตอม ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1997 ^{[ 4 ]}ความก้าวหน้าต่อมา เช่นsub-Doppler coolingและmagneto-optical trapsได้แสดงให้เห็นถึงพลังของการปรับความถี่ในการทำความเย็นและควบคุมระบบอะตอม

โดยการปรับความถี่เลเซอร์ให้ต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์ของอะตอมเล็กน้อย อะตอมที่เคลื่อนที่จะดูดซับโฟตอนจากทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของพวกมันได้ดีกว่าเนื่องจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ ซึ่งก่อให้เกิดแรงเย็นสุทธิ ในการทำความเย็นแบบดอปเปลอร์ เลเซอร์จะถูกปรับความถี่ให้ต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์ไม่กี่เมกะเฮิร์ตซ์อะตอมรูบิเดียมซีเซียมและ อะตอม อัลคาไล อื่นๆ เป็นตัวอย่างที่พบได้ทั่วไป โดยใช้แสงทำความเย็นที่ปรับความถี่ใกล้กับการเปลี่ยนสถานะของพวกมัน เมื่อขยายไปสู่สามมิติ เทคนิคการทำความเย็นแบบดอปเปลอร์มักถูกเรียกว่า " กากน้ำตาลแสง"ในการจัดเรียงเช่นนี้ เลเซอร์ที่ปรับความถี่ให้ต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์สามคู่ที่ตั้งฉากกันจะสร้าง "กากน้ำตาล" ที่มีความหนืดสูง ซึ่งจะชะลอการเคลื่อนที่ของอะตอมที่ถูกดักจับในมิติเชิงพื้นที่ทั้งสามมิติ กับ ดักแม่เหล็กไฟฟ้า (MOTs) ใช้หลักการของกากน้ำตาลแสงเช่นเดียวกับสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามพื้นที่เพื่อดักจับและทำให้กลุ่มอะตอมที่เป็นกลางเย็นลง สนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำให้เกิดการเลื่อนซีแมน (Zeeman shift ) ที่แปรผันตามตำแหน่ง ซึ่งเมื่อรวมกับการปรับความถี่ลำแสงเลเซอร์ให้เหมาะสม จะผลักอะตอมเข้าหาศูนย์กลางของกับดักเป็นพิเศษ การปรับความถี่เลเซอร์ใน MOT ช่วยให้มั่นใจได้ว่าแรงผลักโมเมนตัมที่กระทำต่ออะตอมจะเกิดขึ้นเฉพาะกับอะตอมที่เคลื่อนที่ออกจากศูนย์กลางของกับดักเท่านั้น ทำให้สามารถดักจับ ชะลอความเร็ว และลดอุณหภูมิของอะตอมลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ จนถึงอุณหภูมิต่ำเพียงไม่กี่ไมโครเคลวิน เทคนิคการ ทำความเย็นต่ำกว่า ขีดจำกัดดอปเปลอร์เช่นการทำความเย็นด้วยการไล่ระดับโพลาไรเซชันและ การ ทำความเย็นแบบซิซิฟัสใช้รูปแบบการปรับความถี่ที่ซับซ้อนกว่าเพื่อให้ได้อุณหภูมิต่ำกว่าขีดจำกัดดอปเปลอร์ ${\displaystyle D_{2}}$

ในสเปกโทรสโกปีความละเอียดสูง การปรับความถี่เลเซอร์ช่วยเพิ่มความสามารถในการแยกแยะระดับพลังงานที่อยู่ใกล้กัน กรณีการใช้งานเฉพาะอย่างหนึ่งคือสเปกโทรสโกปีแบบสองโฟตอน ซึ่งเป็นการปรับความถี่เลเซอร์ให้ห่างจากสถานะกลางเพื่อให้สามารถเข้าถึงสถานะพลังงานที่สูงขึ้นได้โดยไม่ต้องเติมพลังงานในระดับที่ต่ำกว่า ซึ่งจะช่วยลดสัญญาณรบกวนพื้นหลัง อีกตัวอย่างหนึ่งคือสเปกโทรสโกปีแบบเลือกไอโซโทป ซึ่งเป็นการปรับความถี่เลเซอร์เพื่อให้สามารถกระตุ้นไอโซโทปที่มีความถี่การเปลี่ยนผ่านที่เลื่อนไปเล็กน้อยได้^{[ 2 ]}ซึ่งมีประโยชน์ในฟิสิกส์นิวเคลียร์และธรณีเคมี

เช่นเดียวกับการทำความเย็นอะตอมด้วยเลเซอร์ เครื่องหมายของการเบี่ยงเบนความถี่มีบทบาทสำคัญในการใช้งานออปโตเมคานิ กส์ ^{[ 5 ] [ 6 ]}ในระบอบการเบี่ยงเบนความถี่สีแดง ระบบออปโตเมคานิกส์จะเกิดการทำความเย็นและการถ่ายโอนพลังงานที่สอดคล้องกันระหว่างแสงและโหมดเชิงกล ( ตัวแยกแสง ) ในระบอบการเบี่ยงเบนความถี่สีน้ำเงิน ระบบจะเกิดความร้อน การขยายเชิงกล และอาจเกิดการบีบอัดและการพันกันกรณีที่ความถี่ตรงกับศูนย์ สามารถใช้สำหรับการตรวจจับการเคลื่อนไหวเชิงกลที่มีความไวสูงมาก เช่นที่ใช้ในLIGO

การปรับความถี่เลเซอร์มักมีบทบาทสำคัญในการรักษาเสถียรภาพความถี่เลเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเทคนิคการล็อกแบบPound-Drever-Hall (PDH) ^{[ 7 ]}การล็อกแบบ PDH ใช้แถบข้างที่ปรับเฟสซึ่งเบี่ยงเบนความถี่สีแดงและสีน้ำเงินจากความถี่พาหะเพื่อรักษาเสถียรภาพความถี่เลเซอร์เทียบกับแหล่งอ้างอิงทางแสงที่เสถียร เช่นโพรงแสง ความละเอียดสูง ตัว เรโซเนเตอร์หรือสเปกโทรสโกปีอะตอม การส่งผ่านโพรงจะถูกส่งไปยังโฟโตดีเทคเตอร์ ความเร็วสูง และเมื่อความถี่เลเซอร์ตรงกับระบบ พลังงานจะลดลงเหลือน้อยที่สุด อนุพันธ์ของการส่งผ่านโพรงถูกใช้เป็นสัญญาณข้อผิดพลาด เนื่องจากความเข้มของการสะท้อนเพียงอย่างเดียวเป็นฟังก์ชันคู่แต่อนุพันธ์เป็นฟังก์ชันคี่ สัญญาณข้อผิดพลาดบ่งชี้ทั้งขนาดและทิศทางของการชดเชยความถี่ ทำให้สามารถสร้าง วงจรควบคุม ป้อนกลับ PID ที่แม่นยำ เพื่อล็อกความถี่เลเซอร์ให้ตรงกับความถี่ที่ต้องการ ลดสัญญาณรบกวนความถี่เลเซอร์ และช่วยให้ควบคุมความถี่ได้อย่างแม่นยำ

นาฬิกาอะตอมใช้การปรับความถี่เลเซอร์เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนผ่านไฮเปอร์ไฟน์ที่เฉพาะเจาะจงและแคบในสเปกตรัมในรูบิเดียม ซีเซียม สตรอนเทียม และธาตุอื่นๆ^{[ 8 ]}แหนบแสง^{[ 3 ]}ใช้การปรับความถี่เลเซอร์สีแดงและสีน้ำเงินเพื่อดักจับอนุภาคสำหรับการวิเคราะห์ตั้งแต่ระดับย่อยนาโนเมตรไปจนถึงไมครอน ทำให้เกิดความก้าวหน้าในหลายสาขารวมถึงชีววิทยาและการแพทย์หวีความถี่เลเซอร์ใช้การปรับความถี่เลเซอร์เพื่อทำให้ฟันหวีมีเสถียรภาพเมื่อเทียบกับมาตรฐานความถี่ที่เสถียร

การปรับความถี่เลเซอร์ไม่จำเป็นต้องคงที่และสามารถเปลี่ยนแปลงได้แบบไดนามิกในเทคนิคขั้นสูงเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เฉพาะเจาะจง วิธีหนึ่งคือการปรับความถี่แบบชิป (chirped detuning) ซึ่งความถี่เลเซอร์จะค่อยๆ เปลี่ยนแปลง วิธีนี้ใช้ในการ ส่งผ่านแบบอะเดียแบติกของรามานแบบ กระตุ้น (stimulated Raman adiabatic passage)เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนผ่านที่ราบรื่นระหว่างสถานะควอนตัมซึ่งสามารถใช้สำหรับการควบคุมคิวบิต ได้ ^{[ 9 ]}การใช้งานการปรับความถี่เลเซอร์แบบไดนามิกอีกอย่างหนึ่งคือตัวชะลอซีแมน (Zeeman slower ) ซึ่งการปรับความถี่จะขึ้นอยู่กับความเร็วของอะตอมตาม

${\displaystyle \delta '=\delta +kv-{\frac {\mu 'B}{\hbar }}}$

ความเร็วของอะตอมอยู่ ที่ไหนซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามเวลา ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกในการปรับจูนเลเซอร์ ${\displaystyle v}$