成果分享
超穩(wěn)激光：解鎖穩(wěn)頻新技術(shù)，邁向性能新高度
《穩(wěn)頻激光器：前沿科研與高精尖工業(yè)應(yīng)用的“標(biāo)尺”》一文詳細(xì)解讀了穩(wěn)頻激光器“頻率長(zhǎng)穩(wěn)優(yōu)、頻率噪聲低、線寬窄“的核心優(yōu)勢(shì)穩(wěn)頻解決方案包含原子/分子，超穩(wěn)激光和光梳等豐富多元方式。本文重點(diǎn)介紹超穩(wěn)激光方案。以法布里-珀羅光學(xué)諧振腔(以下簡(jiǎn)稱(chēng)FP腔)為頻率參考的超穩(wěn)激光方案，因其在性能極致性、結(jié)構(gòu)靈活性與應(yīng)用適配廣泛性上擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為高端精密測(cè)量領(lǐng)域的主流選擇。
FP腔的角色轉(zhuǎn)變歷史：從干涉元件到穩(wěn)頻基準(zhǔn)
1899年，法布里（Charles Fabry）和珀羅（Alfred Perot）針對(duì)“雙平行反射鏡面構(gòu)成的諧振腔（即FP腔）”，系統(tǒng)性提出多光束干涉核心原理——僅當(dāng)入射光滿(mǎn)足FP腔的諧振條件時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)高效的腔透射。值得注意的是，此時(shí)激光尚未問(wèn)世，但這一理論突破精準(zhǔn)錨定了“頻率篩選”的核心潛力，為后續(xù)激光頻率的精密調(diào)控埋下了關(guān)鍵伏筆。20世紀(jì)中期半導(dǎo)體激光器的問(wèn)世，成為FP腔應(yīng)用推廣的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)：FP腔被直接集成在激光器諧振腔內(nèi)，借助其多光束干涉的頻率篩選特性，可將激光線寬從早期的MHz量級(jí)壓窄至kHz量級(jí)。這不僅拓展了FP腔的應(yīng)用邊界，也為后續(xù)超穩(wěn)激光技術(shù)的發(fā)展奠定了硬件基礎(chǔ)。
然而，F(xiàn)P腔與激光技術(shù)深度結(jié)合并真正開(kāi)啟超穩(wěn)激光時(shí)代，實(shí)則始于20世紀(jì)80年代前后。這一跨越與引力波探測(cè)LIGO項(xiàng)目（注：2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)成果）的技術(shù)需求密不可分——高精度激光干涉探測(cè)對(duì)激光穩(wěn)定性有著極致要求，由此直接推動(dòng)了FP腔從“干涉濾光元件”到“穩(wěn)頻基準(zhǔn)器件” 的根本性功能轉(zhuǎn)變。
PDH技術(shù)：數(shù)十年以來(lái)定義FP腔穩(wěn)頻的主流方案
實(shí)際上，傳統(tǒng)基于FP腔透射特性的激光穩(wěn)頻，受限于被動(dòng)濾波的本質(zhì)，其效果并不如人意。是否可以利用FP腔反射特性進(jìn)行穩(wěn)頻呢？
一座關(guān)鍵的里程碑由Drever（注：引力波LIGO項(xiàng)目聯(lián)合創(chuàng)始人）、Hall（注：2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，表彰其在精密光譜學(xué)方面的突破性貢獻(xiàn)）等人于1983年共同鑄就：他們將Pound的微波腔技術(shù)思路拓展至光頻領(lǐng)域，創(chuàng)造性地提出了FP腔的“Pound-Drever-Hall”（以三人名字命名，簡(jiǎn)稱(chēng)PDH）鎖定技術(shù)。
該技術(shù)的核心創(chuàng)新在于：通過(guò)對(duì)激光進(jìn)行相位調(diào)制，實(shí)時(shí)探測(cè)激光頻率與FP腔反射口諧振頻率的偏差，并反饋調(diào)節(jié)激光源。更關(guān)鍵的是，基于激光的頻率抖動(dòng)時(shí)間尺度與腔響應(yīng)時(shí)間的相對(duì)關(guān)系，PDH鎖定可在頻率鑒別和相位鑒別兩種工作模式間自動(dòng)切換：當(dāng)激光抖動(dòng)時(shí)間大于腔響應(yīng)時(shí)間時(shí)，以頻率鑒別模式抑制激光的慢速漂移；當(dāng)抖動(dòng)時(shí)間小于腔響應(yīng)時(shí)間時(shí)，以相位鑒別模式快速補(bǔ)償激光的高頻相位噪聲。兩種模式協(xié)同工作，使環(huán)路伺服帶寬不再受限于腔響應(yīng)時(shí)間，從根本上解除了超高Q值FP腔作為頻率基準(zhǔn)的枷鎖，可顯著壓窄激光器線寬，有效改善激光頻率穩(wěn)定度。PDH技術(shù)憑借其卓越的穩(wěn)頻性能，至今仍是功能最強(qiáng)大、應(yīng)用最廣泛的主動(dòng)激光穩(wěn)頻技術(shù)之一。
圖1. 基于 PDH 技術(shù)的 FP 腔激光鎖定原理框圖
腔穩(wěn)激光器：技術(shù)演進(jìn)與應(yīng)用拓展
腔穩(wěn)激光的頻率噪聲由FP腔本身噪聲、伺服環(huán)路附加噪聲和光電噪聲共同決定。通常情況下，若PDH鎖定的伺服帶寬足夠?qū)挕⒃鲆孀銐虼螅す馄髯陨淼墓逃械皖l噪聲可被有效抑制至可忽略水平，此時(shí)FP腔的腔長(zhǎng)相對(duì)穩(wěn)定性成為性能主導(dǎo)。早期腔穩(wěn)激光受外部振動(dòng)、溫度波動(dòng)等機(jī)械噪聲影響顯著，即便采用微晶玻璃等低膨脹材料，仍存在明顯頻率漂移。
為突破局限，研究人員針對(duì)性地推出一系列優(yōu)化方案：提升FP腔Q值（或精細(xì)度F）、采用超低膨脹材料制作腔體、搭配被動(dòng)與主動(dòng)溫控系統(tǒng)抑制熱形變、置于超高真空環(huán)境中抑制折射率變化、優(yōu)化支撐與隔振設(shè)計(jì)削弱振動(dòng)耦合等。通過(guò)這些措施，超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度已提升至10-15甚至10-16水平。
如今，F(xiàn)P腔超穩(wěn)激光技術(shù)日臻成熟，核心突破聚焦于三大方向：穩(wěn)定度極致提升、可搬運(yùn)和微型化集成、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)化。例如在穩(wěn)定度極致提升方面，采用單晶硅腔體、新型高反膜腔鏡，并結(jié)合極低溫度環(huán)境抑制熱噪聲等措施，可將激光頻率穩(wěn)定度提升至10-17量級(jí)，線寬可至驚人的mHz量級(jí)！
技術(shù)成熟推動(dòng)其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，典型場(chǎng)景包括：干涉引力波探測(cè)（如地面的LIGO升級(jí)項(xiàng)目，太空的LISA、天琴和太極項(xiàng)目）、原子物理學(xué)中量子態(tài)光譜探測(cè)、光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)建立，以及量子計(jì)算中的精密操控等前沿領(lǐng)域。
頻準(zhǔn)激光超穩(wěn)激光的突破：
關(guān)注頻準(zhǔn)激光的用戶(hù)和業(yè)內(nèi)同仁或許了解，頻準(zhǔn)激光在2023年已實(shí)現(xiàn)超穩(wěn)激光產(chǎn)品的技術(shù)落地與市場(chǎng)供應(yīng)，邁出國(guó)內(nèi)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵一步。
當(dāng)前，頻準(zhǔn)激光正加速打破 “實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)” 到 “產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品” 轉(zhuǎn)化的行業(yè)壁壘，持續(xù)推動(dòng)超穩(wěn)激光從科研專(zhuān)屬領(lǐng)域向工業(yè)級(jí)、商用級(jí)場(chǎng)景深度延伸與規(guī)模化應(yīng)用，顯著加快了國(guó)內(nèi)這一高精尖細(xì)分領(lǐng)域的市場(chǎng)化進(jìn)程。借助產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)深化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、低噪聲控制、自主穩(wěn)頻鎖定等核心技術(shù)被深度集成于超穩(wěn)激光系統(tǒng)，使產(chǎn)品既牢牢占據(jù)高穩(wěn)定性、極窄線寬等超高性能優(yōu)勢(shì)，更實(shí)現(xiàn)了操作便捷化、適配靈活化、維護(hù)簡(jiǎn)化的易用性升級(jí)，為下游用戶(hù)提供兼具技術(shù)高度與實(shí)用價(jià)值的核心激光解決方案。
圖2. 頻準(zhǔn)超穩(wěn)激光實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)方案框圖
頻準(zhǔn)激光的超穩(wěn)激光實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)方案如圖2所示。其中，F(xiàn)P腔置于精心設(shè)計(jì)的真空腔內(nèi)（圖中未標(biāo)出），真空度保持在10-6 Pa量級(jí)，配備多層主動(dòng)溫控和被動(dòng)隔熱，整體集成在隔音箱內(nèi)；FP腔腔體自由度被限制并采用振動(dòng)免疫式法固定，而PDH光路采用籠式結(jié)構(gòu)固定在真空腔體上，從而整套超穩(wěn)激光系統(tǒng)可執(zhí)行可搬運(yùn)式的操作。通常，頻準(zhǔn)激光提供三類(lèi)低噪聲激光種子源——光纖DFB激光種子、固定外腔半導(dǎo)體激光種子和寬調(diào)諧貓眼激光種子，以光纖DFB激光種子為例，僅靠PZT單獨(dú)反饋并不能有效壓窄線寬，因而需插入一聲光調(diào)制器（AOM）用于快速反饋。頻準(zhǔn)激光提供的超穩(wěn)激光系統(tǒng)有著以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：
關(guān)鍵且健全的全鏈條支持
頻準(zhǔn)激光深耕超穩(wěn)激光上游核心產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)品線實(shí)現(xiàn)從“關(guān)鍵部件到整體系統(tǒng)”的全鏈條覆蓋與自主控制，核心光電器件涵蓋低噪聲激光種子源、低噪聲激光放大器、激光非線性頻率變換、全光纖器件、低噪聲控制電路等。在此基礎(chǔ)上研制的超穩(wěn)激光系統(tǒng)產(chǎn)品集成度更高，可靠性更強(qiáng)。
多場(chǎng)景適配的超穩(wěn)激光系統(tǒng)
針對(duì)科研與工業(yè)領(lǐng)域的差異化需求，頻準(zhǔn)激光構(gòu)建了豐富的超穩(wěn)激光系統(tǒng)產(chǎn)品線，覆蓋不同性能指標(biāo)、波段和應(yīng)用場(chǎng)景，滿(mǎn)足從基礎(chǔ)研究到高端制造的多元化需求。目前FP腔有2 cm、5 cm、12.5 cm三類(lèi)長(zhǎng)度，覆蓋波長(zhǎng)400-2000 nm，所集成的超穩(wěn)激光系統(tǒng)可立式安裝、柜式或桌面安裝（標(biāo)準(zhǔn)19寸機(jī)柜兼容），如圖3-5所示。
圖3. 雙軸立式超穩(wěn)激光系統(tǒng)
圖4. 單軸柜式或桌面式6U 19’’超穩(wěn)激光系統(tǒng)
圖5. 單軸柜式或桌面式3U 19’’超穩(wěn)激光系統(tǒng)
表1. 頻準(zhǔn)三款超穩(wěn)激光系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比
定制化系統(tǒng)集成與場(chǎng)景適配
針對(duì)科研與工業(yè)領(lǐng)域的差異化需求，頻準(zhǔn)激光提供豐富的超穩(wěn)激光配置選件，包括：主動(dòng)隔振、EOM邊帶移頻鎖定、集成式光纖噪聲抑制器等。除了成套的超穩(wěn)激光系統(tǒng)外，超穩(wěn)激光器系統(tǒng)各部件也可單獨(dú)提供，例如超級(jí)反射鏡、低膨脹腔體、超穩(wěn)腔、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)（含PDH電路、離子泵控制器等），用戶(hù)可以根據(jù)自己需求進(jìn)行任意配置。當(dāng)然，頻準(zhǔn)激光也提供包含超穩(wěn)激光系統(tǒng)在內(nèi)的更復(fù)雜的定制化激光系統(tǒng)，包括光纖放大、非線性變換和多路分光系統(tǒng)。
專(zhuān)業(yè)交付與落地調(diào)試閉環(huán)
頻準(zhǔn)激光配備一支具備豐富超穩(wěn)激光系統(tǒng)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，提供“從設(shè)備到貨到穩(wěn)定運(yùn)行” 的全流程交付服務(wù)，縮短用戶(hù)部署周期，保障系統(tǒng)快速落地。每一臺(tái)超穩(wěn)激光的指標(biāo)都做到拍頻實(shí)測(cè)，國(guó)內(nèi)承諾上門(mén)安裝與調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)提供專(zhuān)項(xiàng)培訓(xùn)，涵蓋系統(tǒng)操作流程、日常維護(hù)要點(diǎn)、基礎(chǔ)故障排查方法。同時(shí)，交付完整技術(shù)文檔，確保用戶(hù)具備獨(dú)立運(yùn)維能力。
長(zhǎng)期運(yùn)維與技術(shù)升級(jí)保障
同公司主營(yíng)的激光器產(chǎn)品一樣，頻準(zhǔn)激光也建立了超穩(wěn)激光系統(tǒng)的全生命周期售后支持體系。不僅提供常規(guī)運(yùn)維服務(wù)，更注重用戶(hù)長(zhǎng)期運(yùn)維的能力，確保用戶(hù)設(shè)備持續(xù)發(fā)揮效能。同時(shí)，依托頻準(zhǔn)強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力，也為用戶(hù)提供了長(zhǎng)期技術(shù)升級(jí)支持。
頻準(zhǔn)超穩(wěn)激光的卓越性能
一鍵鎖定、脫鎖自鎖定與抗震測(cè)試
性能測(cè)試
圖6. 超穩(wěn)激光性能測(cè)試。
（a）激光線寬，（b）激光頻率穩(wěn)定度，（c）激光相位噪聲，
（d）激光頻率漂移和（e）FP腔的PDH鎖定帶寬
展望
從實(shí)驗(yàn)室的毫赫茲級(jí)精準(zhǔn)鎖定到產(chǎn)業(yè)界的全場(chǎng)景賦能，超穩(wěn)激光正以性能極致化、形態(tài)集成化的步伐打破邊界。未來(lái)，頻準(zhǔn)激光將持續(xù)為量子科技、高端制造、深空探測(cè)注入“穩(wěn)” 勁核心，在前沿探索與產(chǎn)業(yè)升級(jí)的征途上，書(shū)寫(xiě)更多精密創(chuàng)新的精彩篇章！
轉(zhuǎn)載自光電匯OESHOW
關(guān)于頻準(zhǔn)
上海頻準(zhǔn)激光科技股份有限公司成立于2017年，是國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)和國(guó)家級(jí)專(zhuān)精特新小巨人企業(yè)。于上海市嘉定區(qū)徐行鎮(zhèn)張江科技示范園，現(xiàn)有員工四百多人，其中博士十余名，高級(jí)工程師多名。頻準(zhǔn)激光致力于高端單頻光纖激光器的研發(fā)與生產(chǎn)，為國(guó)家重大項(xiàng)目提供了國(guó)際一流的激光技術(shù)和產(chǎn)品。
官方電話(huà)丨021-59160265
官方郵箱丨info@precilasers.com
官方網(wǎng)站丨h(huán)ttps://precilasers.com
