超穩(wěn)激光器與超穩(wěn)腔技術：從基礎到前沿應用

引言

超穩(wěn)激光器是精密科學領域的核心工具，其頻率穩(wěn)定度可達 10^-16 量級甚至更高，廣泛應用于原子鐘、引力波探測、量子計算和精密光譜學等領域。本文結(jié)合美國Stable Laser Systems（SLS）和澳大利亞Liquid Instruments公司的技術方案，探討超穩(wěn)激光器及超穩(wěn)腔的設計原理、技術突破與實驗進展，并引用最新研究成果與數(shù)據(jù)，為相關領域提供參考。

一、超穩(wěn)激光器的核心原理與關鍵技術

1. 超穩(wěn)激光器的基本架構

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，通過主動反饋抑制頻率漂移。例如，華中科技大學引力中心采用Pound-Drever-Hall（PDH）鎖定方案，通過電光調(diào)制器（EOM）生成邊帶信號，結(jié)合反射光的相位信息生成誤差信號，最終將激光頻率穩(wěn)定在腔的共振頻率。

2. 超穩(wěn)腔的設計與優(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計（表1），包括圓柱形、凹形、球形和立方體腔，以滿足不同應用需求：

- 圓柱形腔：適用于線寬>50 Hz的原子物理實驗；

- 凹形腔：熱噪聲極限低，線寬<50 Hz，艾倫偏差可達到 10^-15；

- 球形腔：緊湊設計，加速靈敏度低，適合移動場景。

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）和溫度控制技術進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

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）將高精細度FP腔、控溫真空室和電子控制系統(tǒng)集成于19英寸機箱，線寬<1 Hz，日漂移<20 kHz，功耗僅25瓦。其特點包括：

一鍵鎖定功能：通過觸屏界面實時監(jiān)控腔體溫度和真空度；

模塊化設計：支持1530-1565 nm波長定制，輸出功率達100 mW。

2. 低溫與振動抑制技術

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

三、學術研究進展與實驗數(shù)據(jù)

1. 國內(nèi)研究：華中科技大學的超穩(wěn)腔系統(tǒng)

發(fā)展的10 cm全ULE腔、30 cm復合腔、低溫6 cm藍寶石腔、星載8 cm復合腔等超穩(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)實現(xiàn)多套超穩(wěn)激光系統(tǒng)，如圖3所示。對超穩(wěn)激光系統(tǒng)進行誤差評估，設計并完成多項噪聲優(yōu)化實驗。目前鎖定在10 cm全ULE腔上的激光頻率穩(wěn)定度可達諧振腔的熱噪聲極限，為當前國際上同類型超穩(wěn)腔佳的鎖定水平；鎖定在30 cm室溫復合腔激光頻率穩(wěn)定度最好可達1.3×10^-16，并致力于使其進入10^-17量級；在低溫環(huán)境下，光學超穩(wěn)腔系統(tǒng)的熱噪聲極限進一步降低，自主設計并組裝6 cm低溫全藍寶石腔，目前已實現(xiàn)的激光頻率穩(wěn)定度最好可達1.9×10^-16，并致力于進一步降低系統(tǒng)的振動、溫度等各項噪聲對頻率穩(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 華中科技大學超穩(wěn)激光系統(tǒng)。(a) 10 cm全ULE超穩(wěn)腔系統(tǒng)，(b) 30 cm復合超穩(wěn)腔系統(tǒng)，(c) 6 cm低溫藍寶石超穩(wěn)腔系統(tǒng)，(d) 8 cm星載復合超穩(wěn)腔系統(tǒng)

圖4 華中科技大學各套超穩(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，《計量科學與技術》2021年的研究顯示，超穩(wěn)激光在鍶光鐘中實現(xiàn)了亞赫茲級線寬，推動光鐘穩(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備特點

Liquid Instruments雖未直接生產(chǎn)超穩(wěn)激光器，但其高精度測量設備（如Moku系列鎖相放大器）與SLS系統(tǒng)形成互補。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)，但是電學控制以及反饋系統(tǒng)都非常的復雜，用到的電學設備非常多，估計有近10臺設備。然而如此復雜的系統(tǒng)只需要用我們的一臺設備moku：pro或者Moku：Delta就可以實現(xiàn)如此復雜的信號處理和監(jiān)控。如圖7所示。

圖7  用Moku來實現(xiàn)激光鎖頻

實驗案例顯示，結(jié)合Moku設備和SLS超穩(wěn)腔，某實驗室將鎖定時間縮短30%，頻率噪聲降低至0.8 Hz，能滿足大部分實驗室的需求。

五、挑戰(zhàn)與未來方向

1. 低溫噪聲抑制：如華中科技大學正開發(fā)低溫藍寶石腔，目標穩(wěn)定度達 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的緊湊設備推動野外應用；

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

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