超稳激光器与超稳腔技术：从基础到前沿应用

引言

超稳激光器是精密科学领域的核心工具，其频率稳定度可达 10^-16 量级甚至更高，广泛应用于原子钟、引力波探测、量子计算和精密光谱学等领域。本文结合美国Stable Laser Systems（SLS）和澳大利亚Liquid Instruments公司的技术方案，探讨超稳激光器及超稳腔的设计原理、技术突破与实验进展，并引用最新研究成果与数据，为相关领域提供参考。

一、超稳激光器的核心原理与关键技术

1. 超稳激光器的基本架构

超稳激光器通常由激光源、参考超稳腔（法布里-珀罗腔，FP腔）和反馈控制系统组成。其核心在于将激光频率锁定到FP腔的谐振峰上，通过主动反馈抑制频率漂移。例如，华中科技大学引力中心采用Pound-Drever-Hall（PDH）锁定方案，通过电光调制器（EOM）生成边带信号，结合反射光的相位信息生成误差信号，最终将激光频率稳定在腔的共振频率。

2. 超稳腔的设计与优化

FP腔的性能直接决定激光的稳定度。SLS公司提供多种腔体设计（表1），包括圆柱形、凹形、球形和立方体腔，以满足不同应用需求：

- 圆柱形腔：适用于线宽>50 Hz的原子物理实验；

- 凹形腔：热噪声极限低，线宽<50 Hz，艾伦偏差可达到 10^-15；

- 球形腔：紧凑设计，加速灵敏度低，适合移动场景。

如下图1显示各种腔型需求

图1  各种腔型

图2 超稳腔真空系统（真空度<10^-8Torr，温控<±0.005℃）

此外，材料选择（如超低膨胀玻璃ULE）和温度控制技术进一步降低热噪声影响。

表1：SLS法布里-珀罗腔类型与性能

 二、Stable Laser Systems的技术

1. 高集成化稳频系统

SLS的1Hz稳频激光器系统（SLS-INT-1550-200-1）将高精细度FP腔、控温真空室和电子控制系统集成于19英寸机箱，线宽<1 Hz，日漂移<20 kHz，功耗仅25瓦。其特点包括：

一键锁定功能：通过触屏界面实时监控腔体温度和真空度；

模块化设计：支持1530-1565 nm波长定制，输出功率达100 mW。

2. 低温与振动抑制技术

SLS的凹形腔在低温环境下（14–40°C）实现热噪声极限，结合ULE材料和主动隔振平台，使系统在振动敏感场景（如引力波探测）中表现优。

三、学术研究进展与实验数据

1. 国内研究：华中科技大学的超稳腔系统

发展的10 cm全ULE腔、30 cm复合腔、低温6 cm蓝宝石腔、星载8 cm复合腔等超稳腔（采用了Stable Laser Systems的腔），采用模拟锁定或全数字锁定，已经实现多套超稳激光系统，如图3所示。对超稳激光系统进行误差评估，设计并完成多项噪声优化实验。目前锁定在10 cm全ULE腔上的激光频率稳定度可达谐振腔的热噪声极限，为当前国际上同类型超稳腔佳的锁定水平；锁定在30 cm室温复合腔激光频率稳定度最好可达1.3×10^-16，并致力于使其进入10^-17量级；在低温环境下，光学超稳腔系统的热噪声极限进一步降低，自主设计并组装6 cm低温全蓝宝石腔，目前已实现的激光频率稳定度最好可达1.9×10^-16，并致力于进一步降低系统的振动、温度等各项噪声对频率稳定度的影响；锁定在8 cm超稳腔的星载稳频系统在6 mHz处频率噪声为3.6 Hz/Hz^1/2，已经满足天琴计划10 Hz/Hz^1/2的要求。四套稳频系统频率稳定度数据汇总如图4所示

图3 华中科技大学超稳激光系统。(a) 10 cm全ULE超稳腔系统，(b) 30 cm复合超稳腔系统，(c) 6 cm低温蓝宝石超稳腔系统，(d) 8 cm星载复合超稳腔系统

图4 华中科技大学各套超稳激光系统频率稳定度水平

 2. 国际前沿：镱离子光钟与锶光钟

SLS为镱离子光钟定制817 nm稳频系统，集成倍频模块，日漂移<15 kHz。此外，《计量科学与技术》2021年的研究显示，超稳激光在锶光钟中实现了亚赫兹级线宽，推动光钟稳定度突破 10^-18。出处请参考下图：

图5 光钟稳定度突破 10^-18参考文章

四．澳大利亚Liquid Instruments的协同创新

图6  Liquid激光锁频操作界面以及设备特点

Liquid Instruments虽未直接生产超稳激光器，但其高精度测量设备（如Moku系列锁相放大器）与SLS系统形成互补。例如：

Moku:Lab：集成PID控制器和频谱分析仪，可优化PDH锁定环路；

Moku:Pro：支持多通道反馈，适用于复杂噪声抑制场景。

如图3所示，客户虽然用了超稳腔系统，但是电学控制以及反馈系统都非常的复杂，用到的电学设备非常多，估计有近10台设备。然而如此复杂的系统只需要用我们的一台设备moku：pro或者Moku：Delta就可以实现如此复杂的信号处理和监控。如图7所示。

图7  用Moku来实现激光锁频

实验案例显示，结合Moku设备和SLS超稳腔，某实验室将锁定时间缩短30%，频率噪声降低至0.8 Hz，能满足大部分实验室的需求。

五、挑战与未来方向

1. 低温噪声抑制：如华中科技大学正开发低温蓝宝石腔，目标稳定度达 1.9×10^-16；

2. 小型化与商业化：SLS的3Hz便携系统（16kg）和Liquid Instruments的紧凑设备推动野外应用；

3. 多波长集成：SLS的多孔腔支持多激光共模锁定，适用于离子阱和量子模拟。

结语

超稳激光器与超稳腔技术正朝着更高稳定度、更低功耗和更广泛的应用场景发展。美国SLS的系统化解决方案与学术界的深度研究共同推动着量子精密测量、空间科学等领域的进步，而Liquid Instruments的电子控制技术则为这一进程提供了关键支持。未来，随着材料科学与反馈算法的突破，超稳激光有望成为基础物理研究与工业应用的核心支柱。

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