超穩(wěn)激光器與超穩(wěn)腔技術(shù)：從基礎(chǔ)到前沿應(yīng)用

引言

超穩(wěn)激光器是精密科學(xué)領(lǐng)域的核心工具，其頻率穩(wěn)定度可達(dá) 10^-16 量級(jí)甚至更高，廣泛應(yīng)用于原子鐘、引力波探測、量子計(jì)算和精密光譜學(xué)等領(lǐng)域。本文結(jié)合美國Stable Laser Systems（SLS）和澳大利亞Liquid Instruments公司的技術(shù)方案，探討超穩(wěn)激光器及超穩(wěn)腔的設(shè)計(jì)原理、技術(shù)突破與實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，并引用最新研究成果與數(shù)據(jù)，為相關(guān)領(lǐng)域提供參考。

一、超穩(wěn)激光器的核心原理與關(guān)鍵技術(shù)

1. 超穩(wěn)激光器的基本架構(gòu)

超穩(wěn)激光器通常由激光源、參考超穩(wěn)腔（法布里-珀羅腔，FP腔）和反饋控制系統(tǒng)組成。其核心在于將激光頻率鎖定到FP腔的諧振峰上，通過主動(dòng)反饋抑制頻率漂移。例如，華中科技大學(xué)引力中心采用Pound-Drever-Hall（PDH）鎖定方案，通過電光調(diào)制器（EOM）生成邊帶信號(hào)，結(jié)合反射光的相位信息生成誤差信號(hào)，最終將激光頻率穩(wěn)定在腔的共振頻率。

2. 超穩(wěn)腔的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

FP腔的性能直接決定激光的穩(wěn)定度。SLS公司提供多種腔體設(shè)計(jì)（表1），包括圓柱形、凹形、球形和立方體腔，以滿足不同應(yīng)用需求：

- 圓柱形腔：適用于線寬>50 Hz的原子物理實(shí)驗(yàn)；

- 凹形腔：熱噪聲極限低，線寬<50 Hz，艾倫偏差可達(dá)到 10^-15；

- 球形腔：緊湊設(shè)計(jì)，加速靈敏度低，適合移動(dòng)場景。

如下圖1顯示各種腔型需求

圖1  各種腔型

圖2 超穩(wěn)腔真空系統(tǒng)（真空度<10^-8Torr，溫控<±0.005℃）

此外，材料選擇（如超低膨脹玻璃ULE）和溫度控制技術(shù)進(jìn)一步降低熱噪聲影響。

表1：SLS法布里-珀羅腔類型與性能

 二、Stable Laser Systems的技術(shù)

1. 高集成化穩(wěn)頻系統(tǒng)

SLS的1Hz穩(wěn)頻激光器系統(tǒng)（SLS-INT-1550-200-1）將高精細(xì)度FP腔、控溫真空室和電子控制系統(tǒng)集成于19英寸機(jī)箱，線寬<1 Hz，日漂移<20 kHz，功耗僅25瓦。其特點(diǎn)包括：

一鍵鎖定功能：通過觸屏界面實(shí)時(shí)監(jiān)控腔體溫度和真空度；

模塊化設(shè)計(jì)：支持1530-1565 nm波長定制，輸出功率達(dá)100 mW。

2. 低溫與振動(dòng)抑制技術(shù)

SLS的凹形腔在低溫環(huán)境下（14–40°C）實(shí)現(xiàn)熱噪聲極限，結(jié)合ULE材料和主動(dòng)隔振平臺(tái)，使系統(tǒng)在振動(dòng)敏感場景（如引力波探測）中表現(xiàn)優(yōu)。

三、學(xué)術(shù)研究進(jìn)展與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1. 國內(nèi)研究：華中科技大學(xué)的超穩(wěn)腔系統(tǒng)

發(fā)展的10 cm全ULE腔、30 cm復(fù)合腔、低溫6 cm藍(lán)寶石腔、星載8 cm復(fù)合腔等超穩(wěn)腔（采用了Stable Laser Systems的腔），采用模擬鎖定或全數(shù)字鎖定，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多套超穩(wěn)激光系統(tǒng)，如圖3所示。對(duì)超穩(wěn)激光系統(tǒng)進(jìn)行誤差評(píng)估，設(shè)計(jì)并完成多項(xiàng)噪聲優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。目前鎖定在10 cm全ULE腔上的激光頻率穩(wěn)定度可達(dá)諧振腔的熱噪聲極限，為當(dāng)前國際上同類型超穩(wěn)腔佳的鎖定水平；鎖定在30 cm室溫復(fù)合腔激光頻率穩(wěn)定度最好可達(dá)1.3×10^-16，并致力于使其進(jìn)入10^-17量級(jí)；在低溫環(huán)境下，光學(xué)超穩(wěn)腔系統(tǒng)的熱噪聲極限進(jìn)一步降低，自主設(shè)計(jì)并組裝6 cm低溫全藍(lán)寶石腔，目前已實(shí)現(xiàn)的激光頻率穩(wěn)定度最好可達(dá)1.9×10^-16，并致力于進(jìn)一步降低系統(tǒng)的振動(dòng)、溫度等各項(xiàng)噪聲對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響；鎖定在8 cm超穩(wěn)腔的星載穩(wěn)頻系統(tǒng)在6 mHz處頻率噪聲為3.6 Hz/Hz^1/2，已經(jīng)滿足天琴計(jì)劃10 Hz/Hz^1/2的要求。四套穩(wěn)頻系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度數(shù)據(jù)匯總?cè)鐖D4所示

圖3 華中科技大學(xué)超穩(wěn)激光系統(tǒng)。(a) 10 cm全ULE超穩(wěn)腔系統(tǒng)，(b) 30 cm復(fù)合超穩(wěn)腔系統(tǒng)，(c) 6 cm低溫藍(lán)寶石超穩(wěn)腔系統(tǒng)，(d) 8 cm星載復(fù)合超穩(wěn)腔系統(tǒng)

圖4 華中科技大學(xué)各套超穩(wěn)激光系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度水平

 2. 國際前沿：鐿離子光鐘與鍶光鐘

SLS為鐿離子光鐘定制817 nm穩(wěn)頻系統(tǒng)，集成倍頻模塊，日漂移<15 kHz。此外，《計(jì)量科學(xué)與技術(shù)》2021年的研究顯示，超穩(wěn)激光在鍶光鐘中實(shí)現(xiàn)了亞赫茲級(jí)線寬，推動(dòng)光鐘穩(wěn)定度突破 10^-18。出處請參考下圖：

圖5 光鐘穩(wěn)定度突破 10^-18參考文章

四．澳大利亞Liquid Instruments的協(xié)同創(chuàng)新

圖6  Liquid激光鎖頻操作界面以及設(shè)備特點(diǎn)

Liquid Instruments雖未直接生產(chǎn)超穩(wěn)激光器，但其高精度測量設(shè)備（如Moku系列鎖相放大器）與SLS系統(tǒng)形成互補(bǔ)。例如：

Moku:Lab：集成PID控制器和頻譜分析儀，可優(yōu)化PDH鎖定環(huán)路；

Moku:Pro：支持多通道反饋，適用于復(fù)雜噪聲抑制場景。

如圖3所示，客戶雖然用了超穩(wěn)腔系統(tǒng)，但是電學(xué)控制以及反饋系統(tǒng)都非常的復(fù)雜，用到的電學(xué)設(shè)備非常多，估計(jì)有近10臺(tái)設(shè)備。然而如此復(fù)雜的系統(tǒng)只需要用我們的一臺(tái)設(shè)備moku：pro或者Moku：Delta就可以實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的信號(hào)處理和監(jiān)控。如圖7所示。

圖7  用Moku來實(shí)現(xiàn)激光鎖頻

實(shí)驗(yàn)案例顯示，結(jié)合Moku設(shè)備和SLS超穩(wěn)腔，某實(shí)驗(yàn)室將鎖定時(shí)間縮短30%，頻率噪聲降低至0.8 Hz，能滿足大部分實(shí)驗(yàn)室的需求。

五、挑戰(zhàn)與未來方向

1. 低溫噪聲抑制：如華中科技大學(xué)正開發(fā)低溫藍(lán)寶石腔，目標(biāo)穩(wěn)定度達(dá) 1.9×10^-16；

2. 小型化與商業(yè)化：SLS的3Hz便攜系統(tǒng)（16kg）和Liquid Instruments的緊湊設(shè)備推動(dòng)野外應(yīng)用；

3. 多波長集成：SLS的多孔腔支持多激光共模鎖定，適用于離子阱和量子模擬。

結(jié)語

超穩(wěn)激光器與超穩(wěn)腔技術(shù)正朝著更高穩(wěn)定度、更低功耗和更廣泛的應(yīng)用場景發(fā)展。美國SLS的系統(tǒng)化解決方案與學(xué)術(shù)界的深度研究共同推動(dòng)著量子精密測量、空間科學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)步，而Liquid Instruments的電子控制技術(shù)則為這一進(jìn)程提供了關(guān)鍵支持。未來，隨著材料科學(xué)與反饋算法的突破，超穩(wěn)激光有望成為基礎(chǔ)物理研究與工業(yè)應(yīng)用的核心支柱。

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