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超穩激光：解鎖穩頻新技術，邁向性能新高度
《穩頻激光器：前沿科研與高精尖工業應用的“標尺”》一文詳細解讀了穩頻激光器“頻率長穩優、頻率噪聲低、線寬窄“的核心優勢穩頻解決方案包含原子/分子，超穩激光和光梳等豐富多元方式。本文重點介紹超穩激光方案。以法布里-珀羅光學諧振腔(以下簡稱FP腔)為頻率參考的超穩激光方案，因其在性能極致性、結構靈活性與應用適配廣泛性上擁有獨特優勢，正逐漸成為高端精密測量領域的主流選擇。
FP腔的角色轉變歷史：從干涉元件到穩頻基準
1899年，法布里（Charles Fabry）和珀羅（Alfred Perot）針對“雙平行反射鏡面構成的諧振腔（即FP腔）”，系統性提出多光束干涉核心原理——僅當入射光滿足FP腔的諧振條件時，才能實現高效的腔透射。值得注意的是，此時激光尚未問世，但這一理論突破精準錨定了“頻率篩選”的核心潛力，為后續激光頻率的精密調控埋下了關鍵伏筆。20世紀中期半導體激光器的問世，成為FP腔應用推廣的一個關鍵轉折點：FP腔被直接集成在激光器諧振腔內，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量級壓窄至kHz量級。這不僅拓展了FP腔的應用邊界，也為后續超穩激光技術的發展奠定了硬件基礎。
然而，FP腔與激光技術深度結合并真正開啟超穩激光時代，實則始于20世紀80年代前后。這一跨越與引力波探測LIGO項目（注：2017年諾貝爾物理學獎獲獎成果）的技術需求密不可分——高精度激光干涉探測對激光穩定性有著極致要求，由此直接推動了FP腔從“干涉濾光元件”到“穩頻基準器件” 的根本性功能轉變。
PDH技術：數十年以來定義FP腔穩頻的主流方案
實際上，傳統基于FP腔透射特性的激光穩頻，受限于被動濾波的本質，其效果并不如人意。是否可以利用FP腔反射特性進行穩頻呢？
一座關鍵的里程碑由Drever（注：引力波LIGO項目聯合創始人）、Hall（注：2005年諾貝爾物理學獎得主，表彰其在精密光譜學方面的突破性貢獻）等人于1983年共同鑄就：他們將Pound的微波腔技術思路拓展至光頻領域，創造性地提出了FP腔的“Pound-Drever-Hall”（以三人名字命名，簡稱PDH）鎖定技術。
該技術的核心創新在于：通過對激光進行相位調制，實時探測激光頻率與FP腔反射口諧振頻率的偏差，并反饋調節激光源。更關鍵的是，基于激光的頻率抖動時間尺度與腔響應時間的相對關系，PDH鎖定可在頻率鑒別和相位鑒別兩種工作模式間自動切換：當激光抖動時間大于腔響應時間時，以頻率鑒別模式抑制激光的慢速漂移；當抖動時間小于腔響應時間時，以相位鑒別模式快速補償激光的高頻相位噪聲。兩種模式協同工作，使環路伺服帶寬不再受限于腔響應時間，從根本上解除了超高Q值FP腔作為頻率基準的枷鎖，可顯著壓窄激光器線寬，有效改善激光頻率穩定度。PDH技術憑借其卓越的穩頻性能，至今仍是功能最強大、應用最廣泛的主動激光穩頻技術之一。
圖1. 基于 PDH 技術的 FP 腔激光鎖定原理框圖
腔穩激光器：技術演進與應用拓展
腔穩激光的頻率噪聲由FP腔本身噪聲、伺服環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寬、增益足夠大，激光器自身的固有低頻噪聲可被有效抑制至可忽略水平，此時FP腔的腔長相對穩定性成為性能主導。早期腔穩激光受外部振動、溫度波動等機械噪聲影響顯著，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，研究人員針對性地推出一系列優化方案：提升FP腔Q值（或精細度F）、采用超低膨脹材料制作腔體、搭配被動與主動溫控系統抑制熱形變、置于超高真空環境中抑制折射率變化、優化支撐與隔振設計削弱振動耦合等。通過這些措施，超穩激光的頻率穩定度已提升至10-15甚至10-16水平。
如今，FP腔超穩激光技術日臻成熟，核心突破聚焦于三大方向：穩定度極致提升、可搬運和微型化集成、環境適應性強化。例如在穩定度極致提升方面，采用單晶硅腔體、新型高反膜腔鏡，并結合極低溫度環境抑制熱噪聲等措施，可將激光頻率穩定度提升至10-17量級，線寬可至驚人的mHz量級！
技術成熟推動其應用領域不斷擴展，典型場景包括：干涉引力波探測（如地面的LIGO升級項目，太空的LISA、天琴和太極項目）、原子物理學中量子態光譜探測、光學頻率標準建立，以及量子計算中的精密操控等前沿領域。
頻準激光超穩激光的突破：
關注頻準激光的用戶和業內同仁或許了解，頻準激光在2023年已實現超穩激光產品的技術落地與市場供應，邁出國內技術產業化的關鍵一步。
當前，頻準激光正加速打破 “實驗室樣機” 到 “產業化產品” 轉化的行業壁壘，持續推動超穩激光從科研專屬領域向工業級、商用級場景深度延伸與規模化應用，顯著加快了國內這一高精尖細分領域的市場化進程。借助產業化進程的持續深化，結構優化設計、低噪聲控制、自主穩頻鎖定等核心技術被深度集成于超穩激光系統，使產品既牢牢占據高穩定性、極窄線寬等超高性能優勢，更實現了操作便捷化、適配靈活化、維護簡化的易用性升級，為下游用戶提供兼具技術高度與實用價值的核心激光解決方案。
圖2. 頻準超穩激光實現的基礎方案框圖
頻準激光的超穩激光實現的基礎方案如圖2所示。其中，FP腔置于精心設計的真空腔內（圖中未標出），真空度保持在10-6 Pa量級，配備多層主動溫控和被動隔熱，整體集成在隔音箱內；FP腔腔體自由度被限制并采用振動免疫式法固定，而PDH光路采用籠式結構固定在真空腔體上，從而整套超穩激光系統可執行可搬運式的操作。通常，頻準激光提供三類低噪聲激光種子源——光纖DFB激光種子、固定外腔半導體激光種子和寬調諧貓眼激光種子，以光纖DFB激光種子為例，僅靠PZT單獨反饋并不能有效壓窄線寬，因而需插入一聲光調制器（AOM）用于快速反饋。頻準激光提供的超穩激光系統有著以下獨特優勢：
關鍵且健全的全鏈條支持
頻準激光深耕超穩激光上游核心產業鏈，產品線實現從“關鍵部件到整體系統”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。在此基礎上研制的超穩激光系統產品集成度更高，可靠性更強。
多場景適配的超穩激光系統
針對科研與工業領域的差異化需求，頻準激光構建了豐富的超穩激光系統產品線，覆蓋不同性能指標、波段和應用場景，滿足從基礎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三類長度，覆蓋波長400-2000 nm，所集成的超穩激光系統可立式安裝、柜式或桌面安裝（標準19寸機柜兼容），如圖3-5所示。
圖3. 雙軸立式超穩激光系統
圖4. 單軸柜式或桌面式6U 19’’超穩激光系統
圖5. 單軸柜式或桌面式3U 19’’超穩激光系統
表1. 頻準三款超穩激光系統的參數對比
定制化系統集成與場景適配
針對科研與工業領域的差異化需求，頻準激光提供豐富的超穩激光配置選件，包括：主動隔振、EOM邊帶移頻鎖定、集成式光纖噪聲抑制器等。除了成套的超穩激光系統外，超穩激光器系統各部件也可單獨提供，例如超級反射鏡、低膨脹腔體、超穩腔、真空系統、電控系統（含PDH電路、離子泵控制器等），用戶可以根據自己需求進行任意配置。當然，頻準激光也提供包含超穩激光系統在內的更復雜的定制化激光系統，包括光纖放大、非線性變換和多路分光系統。
專業交付與落地調試閉環
頻準激光配備一支具備豐富超穩激光系統實操經驗的技術團隊，提供“從設備到貨到穩定運行” 的全流程交付服務，縮短用戶部署周期，保障系統快速落地。每一臺超穩激光的指標都做到拍頻實測，國內承諾上門安裝與調試，現場提供專項培訓，涵蓋系統操作流程、日常維護要點、基礎故障排查方法。同時，交付完整技術文檔，確保用戶具備獨立運維能力。
長期運維與技術升級保障
同公司主營的激光器產品一樣，頻準激光也建立了超穩激光系統的全生命周期售后支持體系。不僅提供常規運維服務，更注重用戶長期運維的能力，確保用戶設備持續發揮效能。同時，依托頻準強大的研發實力，也為用戶提供了長期技術升級支持。
頻準超穩激光的卓越性能
一鍵鎖定、脫鎖自鎖定與抗震測試
性能測試
圖6. 超穩激光性能測試。
（a）激光線寬，（b）激光頻率穩定度，（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
從實驗室的毫赫茲級精準鎖定到產業界的全場景賦能，超穩激光正以性能極致化、形態集成化的步伐打破邊界。未來，頻準激光將持續為量子科技、高端制造、深空探測注入“穩” 勁核心，在前沿探索與產業升級的征途上，書寫更多精密創新的精彩篇章！
轉載自光電匯OESHOW
關于頻準
上海頻準激光科技股份有限公司成立于2017年，是國家高新技術企業和國家級專精特新小巨人企業。于上海市嘉定區徐行鎮張江科技示范園，現有員工四百多人，其中博士十余名，高級工程師多名。頻準激光致力于高端單頻光纖激光器的研發與生產，為國家重大項目提供了國際一流的激光技術和產品。
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