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穩(wěn)頻激光器：前沿科研與高精尖工業(yè)應(yīng)用的“標(biāo)尺”
在我們生活的世界中，激光的身影幾乎無(wú)處不在。從超市收銀掃碼器捕捉商品條形碼，到高速光纖入戶暢享上網(wǎng)沖浪。而在這些日常應(yīng)用之外，穩(wěn)頻激光器正以“標(biāo)尺”之姿，在更精密的領(lǐng)域大顯身手。例如，它不僅是冷原子實(shí)驗(yàn)中精準(zhǔn)操控原子、離子的關(guān)鍵，也是干涉測(cè)量里獲取高精度數(shù)據(jù)的核心。如今，穩(wěn)頻激光器更在高精尖工業(yè)應(yīng)用中逐漸嶄露頭角，為科研突破與產(chǎn)業(yè)升級(jí)注入強(qiáng)大動(dòng)力。
穩(wěn)頻激光器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
頻率長(zhǎng)穩(wěn)更優(yōu)：在長(zhǎng)時(shí)間尺度下，即便遭遇溫度波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等外界干擾，激光頻率也能維持漂移幅度小，為高精度實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)提供持續(xù)可靠的頻率基準(zhǔn)（圖1左）。
頻率噪聲更低：從傅里葉頻域上看，也能看出控制帶寬內(nèi)的激光噪聲抑制效果，除了抑制低頻處溫度、振動(dòng)等噪聲影響外，有些穩(wěn)頻激光器也能抑制至~MHz端的較高頻噪聲（圖1中）。
線寬更窄、光譜更純：相比于頻率噪聲，用線寬表征激光噪聲可能更為常見(jiàn)，但注意與觀測(cè)時(shí)間有關(guān)。穩(wěn)頻激光器的線寬可以壓縮至極窄范圍（可至<1Hz），光譜頻譜上純度大為提升，能減小測(cè)量中的干擾，提升精密測(cè)量的分辨率（圖1右）。
圖1 穩(wěn)頻激光器具有頻率長(zhǎng)穩(wěn)優(yōu)、頻率噪聲低和光譜純度高的特點(diǎn)。
灰：自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器；紅：穩(wěn)頻激光器
頻準(zhǔn)穩(wěn)頻激光器的突破
近年來(lái)，頻準(zhǔn)在主營(yíng)的激光器產(chǎn)品上逐漸發(fā)力，在低噪聲、高功率、寬波段等方向上取得了不錯(cuò)的成績(jī)，這些成果不僅為國(guó)內(nèi)科研提供了強(qiáng)有力的支撐，也讓自身積累了深厚的技術(shù)功底和豐富的定制化產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)。以此為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，頻準(zhǔn)順勢(shì)開(kāi)啟國(guó)內(nèi)穩(wěn)頻激光器產(chǎn)業(yè)化的先河，加快了這一細(xì)分領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)度。通過(guò)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，頻準(zhǔn)能夠?qū)⑾冗M(jìn)的穩(wěn)頻技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于各類激光器產(chǎn)品，使它們具備更高水平的性能。對(duì)于用戶而言，無(wú)需再為設(shè)備的穩(wěn)定性問(wèn)題耗費(fèi)過(guò)多精力，得以集中于激光器后端的使用，從而提升工作效率和成果質(zhì)量。
關(guān)鍵且健全的全鏈條支持：
涵蓋低噪聲激光種子源、低噪聲激光放大、激光非線性頻率變換、全光纖器件封測(cè)、低噪聲電路控制到激光穩(wěn)頻等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)從核心部件到整體系統(tǒng)的自主控制，確保能達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的性能要求。
不同場(chǎng)景下多重方案的布局：
包括原子分子穩(wěn)頻、超穩(wěn)腔穩(wěn)頻和光梳穩(wěn)頻，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求提供針對(duì)性的解決方案（表1）。
小型化、工程化的光機(jī)電設(shè)計(jì)：
結(jié)構(gòu)上力求緊湊小巧，以適應(yīng)空間有限的實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；操作上注重人性化設(shè)計(jì)，讓用戶能夠便捷地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)控，可提供穩(wěn)頻自主恢復(fù)功能；嚴(yán)格的環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試，如穩(wěn)頻核心器件的高低溫循環(huán)、振動(dòng)測(cè)試，使激光器穩(wěn)頻牢固且可靠。
表1 頻準(zhǔn)提供的激光穩(wěn)頻方案示例
頻準(zhǔn)穩(wěn)頻激光器的卓越性能
在評(píng)估單臺(tái)激光器性能時(shí)，我們通常將其與另一臺(tái)同等水平的穩(wěn)頻激光器進(jìn)行拍頻測(cè)試，或者與性能更高的超穩(wěn)激光器或光學(xué)頻率梳比對(duì)。
銣（Rb）原子480nm/780nm/795nm。在飽和吸收信號(hào)的基礎(chǔ)上，利用調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜（MTS）或者頻率調(diào)制光譜（FM）技術(shù)，再借助頻準(zhǔn)的PreciLock高速伺服控制器或數(shù)字伺服控制器，可將激光器鎖定于Rb原子的D1和D2線上。對(duì)于780 nm調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜，24小時(shí)內(nèi)頻率起伏<±100 kHz，頻率穩(wěn)定度可達(dá)2E-13@1s。
圖2 Rb原子的780nm飽和吸收信號(hào)和調(diào)制轉(zhuǎn)移誤差信號(hào)
圖3 兩臺(tái)穩(wěn)頻780nm激光器比對(duì)獲得的典型頻率起伏
圖4 Rb穩(wěn)頻的780nm激光器
頻準(zhǔn)的Precilock軟件具備自動(dòng)回鎖功能，用戶只需提前設(shè)定好相關(guān)參數(shù)，一鍵即可實(shí)現(xiàn)激光頻率鎖定（見(jiàn)視頻1）。另外，頻準(zhǔn)也提供自動(dòng)尋峰、自主鎖定的高級(jí)功能，即用戶開(kāi)啟激光后，較短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)完成激光出光和頻率鎖定，期間無(wú)需用戶連接PreciLock上位機(jī)進(jìn)行操作，這極大提升了用戶的使用體驗(yàn)（見(jiàn)視頻2）。
視頻1 穩(wěn)頻780nm激光器的一鍵自動(dòng)回鎖功能展示
視頻2 穩(wěn)頻780nm激光器的自動(dòng)尋峰自主鎖定功能展示
視頻3 穩(wěn)頻780nm激光器的振動(dòng)測(cè)試
圖5 穩(wěn)頻780nm激光器的高低溫循環(huán)測(cè)試
穩(wěn)頻780nm激光器在高低溫循環(huán)測(cè)試中，可模擬一些工業(yè)控制、戶外的溫變環(huán)境，重點(diǎn)驗(yàn)證0-50℃甚至更寬溫域下的穩(wěn)定性。如圖5所示，經(jīng)過(guò)完整的高低溫循環(huán)后，穩(wěn)頻信號(hào)基本保持不變。另外，穩(wěn)頻780nm激光器在一定的振動(dòng)條件下，也能保持高精度的鎖定，說(shuō)明振動(dòng)影響在可控范圍內(nèi)（見(jiàn)視頻3）。這些都為穩(wěn)頻激光器的應(yīng)用提供了可靠的環(huán)境適應(yīng)性保障。
銫（Cs）原子509nm/852nm/895nm。對(duì)于Cs原子級(jí)聯(lián)的852nm和509nm躍遷，使用MTS光譜和FM光譜技術(shù)分別依次進(jìn)行852nm和509nm激光器的鎖定。
圖6 Cs原子的509nm吸收信號(hào)和頻率調(diào)制誤差信號(hào)
其他原子：鈉（Na）589nm，鉀（K）767nm/770nm/776nm，...
碘（I2）500-700nm：碘分子在可見(jiàn)波段附近具有廣泛的共振峰，通常的自然線寬在幾百kHz，是比較理想的激光參考源。對(duì)于532nm碘穩(wěn)激光器，24小時(shí)頻率起伏<±150 kHz，頻率穩(wěn)定度可達(dá)4E-13@1s。
圖7 I2的532飽和吸收信號(hào)和調(diào)制轉(zhuǎn)移誤差信號(hào)
乙炔（12,13C2H2）：吸收峰（多普勒展寬）覆蓋1510-1550nm，穩(wěn)頻激光器24小時(shí)內(nèi)的頻率起伏<1.5MHz。
其他分子: 氰化氫（HCN）1520-1564nm，甲烷（CH4）1645nm，二氧化碳（CO2）1572nm/2051nm，...
上述是將激光器頻率直接鎖定于原子分子吸收峰處，頻準(zhǔn)也提供基于光學(xué)鎖相環(huán)（OPLL）的數(shù)字偏頻鎖定電路模塊Precibeat，可方便地將另外一臺(tái)激光器的頻率偏移50MHz至8GHz，同時(shí)具備掃頻、跳頻等功能。此外，頻準(zhǔn)還提供基于超穩(wěn)腔和光學(xué)頻率梳的穩(wěn)頻方案，波長(zhǎng)可以進(jìn)一步擴(kuò)展至400-2000nm。后續(xù)我們將陸續(xù)推出相關(guān)介紹文章，敬請(qǐng)關(guān)注。
穩(wěn)頻激光器應(yīng)用前景
憑借卓越的頻率穩(wěn)定性，穩(wěn)頻激光器正成為眾多前沿領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，比如引力波探測(cè)，原子鐘計(jì)時(shí)，超精密光譜分析，半導(dǎo)體芯片制造領(lǐng)域，以及航空航天工業(yè)等。隨著穩(wěn)頻激光器在性能、體積和功耗（SWaP）等方面的持續(xù)優(yōu)化，我們相信其在未來(lái)將展現(xiàn)出極為廣泛的應(yīng)用前景。
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。
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