蔣燕義，畢志毅，馬龍生

華東師范大學(xué) 精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062

1 窄線寬穩(wěn)頻激光技術(shù)：精密光譜與精密測(cè)量的基石

在光譜研究中，頻率域的高分辨率一直是科學(xué)家們不斷奮斗與追求的目標(biāo)。通過不斷提高原子分子光譜的分辨率，人們發(fā)現(xiàn)了原子分子的精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而逐步認(rèn)識(shí)原子分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和它們之間的相互作用，以及它們?cè)谕鈭?chǎng)作用下的行為。

兩三百年前，人們就用棱鏡、光柵等器件分辨非相干光源的不同頻譜成分。到了20世紀(jì)60年代，激光的發(fā)明為光譜學(xué)研究開創(chuàng)了新的局面：激光的單色性是此前所有手段都無法比擬的，它使光譜分辨得更加精細(xì)。隨著精密光譜研究的深入，光譜學(xué)家開始不滿足于自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光的單色性。一臺(tái)自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光，其線寬一般在MHz～GHz量級(jí)，而一些高分辨光譜研究則需要優(yōu)于MHz量級(jí)，甚至是kHz量級(jí)的分辨率。不僅如此，由于激光的頻率是由激光諧振腔的有效長(zhǎng)度決定，其很容易受到激光腔內(nèi)部熱效應(yīng)、外界環(huán)境噪聲的影響而發(fā)生抖動(dòng)和漂移，這極大地限制了光譜研究的分辨率。為了提高激光光譜的分辨率，各種激光穩(wěn)頻技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。

早期的激光穩(wěn)頻技術(shù)包括被動(dòng)式穩(wěn)頻，即采用保溫、隔振等方法盡可能使激光腔的有效長(zhǎng)度保持穩(wěn)定。然而由于激光腔內(nèi)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，很難使激光頻率保持高穩(wěn)定。另一種方式是主動(dòng)式激光穩(wěn)頻，它通過將激光的頻率與其他參考頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，獲得激光頻率與參考頻率標(biāo)準(zhǔn)之間的差值，即鑒頻信號(hào)，通過反饋控制來校正激光的頻率，使之與參考頻率標(biāo)準(zhǔn)保持一致。這個(gè)參考頻率標(biāo)準(zhǔn)可以是原子分子的能級(jí)躍遷頻率、光學(xué)參考腔的諧振頻率或者是另一臺(tái)激光的頻率。在以原子分子的躍遷頻率作為參考頻率標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，陸續(xù)發(fā)展了偏振光譜穩(wěn)頻激光技術(shù)、塞曼分裂光譜穩(wěn)頻激光技術(shù)、飽和吸收光譜穩(wěn)頻激光技術(shù)和調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜穩(wěn)頻激光技術(shù)等等。在以光學(xué)參考腔的諧振頻率作為頻率標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，發(fā)展了偏振穩(wěn)頻激光技術(shù)、頻率調(diào)制穩(wěn)頻激光技術(shù)、PDH穩(wěn)頻激光技術(shù)等等。

經(jīng)過科學(xué)家在激光頻率精密控制領(lǐng)域持續(xù)不斷的努力，他們已利用窄線寬穩(wěn)頻激光在計(jì)量學(xué)、精密測(cè)量物理和精密光譜等方面取得了多個(gè)突破性的進(jìn)展。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)的John L. Hall (2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主)等人采用甲烷分子的飽和吸收光譜作為頻率參考，研制了3.39 μm波段的He-Ne穩(wěn)頻激光，首次將激光的頻率不穩(wěn)定度提高至10-13量級(jí)[1]。然后，他們通過精密測(cè)量該穩(wěn)頻激光的波長(zhǎng)λ和頻率ν，精確地測(cè)量了光的速度，即c=λ×ν，從而將光速的測(cè)量精度提高了100倍[2]。1975年，第15屆國(guó)際計(jì)量大會(huì) (General Conference of Weights & Measures，CGPM)將光速定義為一個(gè)基本物理常數(shù)，c=299 792 458 m/s。在確定光速的基礎(chǔ)上，1983年第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)又將光在1/299792458秒內(nèi)傳播的距離作為長(zhǎng)度單位“米”的定義，這項(xiàng)工作為現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的全球定位系統(tǒng)(GPS)奠定了基礎(chǔ)。

為了發(fā)展原子光鐘和探測(cè)引力波，R. W. P.Drever和J. L. Hall等人于1983年提出了Pound-Drever-Hall(簡(jiǎn)稱PDH)激光穩(wěn)頻技術(shù)[3]。Drever等人利用PDH技術(shù)研制穩(wěn)頻激光，并用該激光建立探測(cè)引力波的激光干涉儀(LIGO)。經(jīng)過30余年的奮斗，LIGO對(duì)于探測(cè)相對(duì)長(zhǎng)度變化有著極高的靈敏度，達(dá)到10-21量級(jí)，并先后于2015與2017年兩次成功地探測(cè)到引力波[4]。引力波的探測(cè)不僅驗(yàn)證了廣義相對(duì)論，也為了解天體碰撞、黑洞形成等研究提供了強(qiáng)有力的觀察手段。R. Weiss、K. S. Thorne及B. C. Barish由于對(duì)引力波探測(cè)的貢獻(xiàn)而獲得2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Hall則將PDH技術(shù)用于研制線寬在1 Hz及以下的穩(wěn)頻激光，為觀測(cè)超窄線寬的原子譜線提供有效的探測(cè)激光。同樣經(jīng)過30余年的努力，在Hall的引領(lǐng)下，科學(xué)家們已能為原子光鐘提供亞赫茲線寬的穩(wěn)頻激光，為發(fā)展原子光鐘奠定了基礎(chǔ)。由于超窄線寬穩(wěn)頻激光的快速發(fā)展，光鐘的頻率不穩(wěn)定度和不確定度目前都已達(dá)到10-18量級(jí)，已超越作為目前國(guó)際單位“秒”定義的銫噴泉鐘。除此之外，PDH激光穩(wěn)頻技術(shù)還為激光冷卻原子(1997年諾貝爾獎(jiǎng)相關(guān)工作)、實(shí)現(xiàn)原子玻色-愛因斯坦凝聚(2001年諾貝爾獎(jiǎng)相關(guān)工作)、量子計(jì)算(2012年諾貝爾獎(jiǎng)相關(guān)工作)等研究奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2 PDH激光穩(wěn)頻技術(shù)及其發(fā)展

目前，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度、窄線寬激光的技術(shù)主要是1983年發(fā)明的PDH技術(shù)。該技術(shù)通過伺服反饋控制系統(tǒng)將激光的頻率鎖定在一個(gè)外部的光學(xué)參考腔的諧振頻率處。

圖1是PDH技術(shù)的基本原理圖。激光經(jīng)過電光相位調(diào)制器，當(dāng)電光調(diào)制器的調(diào)制度略小于1時(shí)，從頻譜上看，在光的載波的兩側(cè)出現(xiàn)了一對(duì)頻率為ω0±Ω、位相相反且幅度相等的調(diào)制邊帶(ω0是光頻，Ω是調(diào)制頻率)。調(diào)制后的激光入射到光學(xué)參考腔，參考腔對(duì)不同頻率的激光會(huì)有不同的相移和損耗，因此在參考腔的反射信號(hào)中，載波和調(diào)制邊帶的幅度衰減和相移會(huì)隨著激光頻率與腔長(zhǎng)的關(guān)系而不同：當(dāng)激光頻率遠(yuǎn)離光學(xué)參考腔的共振頻率時(shí)，載波與邊帶之間的反相對(duì)稱平衡關(guān)系保持不變，因而參考腔的反射光束入射到探測(cè)器上時(shí)，載波與邊帶的拍頻信號(hào)等值反相而相消為零；當(dāng)激光頻率接近參考腔的共振頻率時(shí)，參考腔會(huì)對(duì)不同頻率的載波與邊帶產(chǎn)生不同的相移和損耗，因此在參考腔的反射光束中，載波和調(diào)制邊帶之間的對(duì)稱平衡關(guān)系被破壞，它將在探測(cè)器上產(chǎn)生載波與邊帶的拍頻信號(hào)。利用該信號(hào)可以判斷激光頻率相對(duì)參考腔諧振頻率之間的偏差。

圖1 PDH激光穩(wěn)頻技術(shù)原理圖與信號(hào)

如圖1所示，參考腔的反射信號(hào)經(jīng)四分之一波片后，由偏振分束器反射，并進(jìn)入探測(cè)器獲得載波與邊帶之間的拍頻信號(hào)；探測(cè)器的輸出信號(hào)由平衡混頻器在調(diào)制頻率Ω處進(jìn)行解調(diào)，通過選擇合適的解調(diào)位相可獲得圖1中的PDH信號(hào)。

PDH穩(wěn)頻激光技術(shù)結(jié)合了頻率調(diào)制光譜技術(shù)和光外差探測(cè)技術(shù)，因此，其用于鎖頻的鑒頻信號(hào)(也稱為PDH信號(hào))不受探測(cè)系統(tǒng)噪聲的限制，可達(dá)到光的散粒噪聲極限，系統(tǒng)噪聲很低。同時(shí)，該技術(shù)還具有伺服響應(yīng)快的特點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)其他噪聲被壓制后，采用PDH技術(shù)的穩(wěn)頻激光的頻率穩(wěn)定度在很大程度上取決于參考腔的長(zhǎng)度穩(wěn)定度。

2.1 減小振動(dòng)噪聲對(duì)光學(xué)參考腔腔長(zhǎng)的影響

影響參考腔長(zhǎng)度穩(wěn)定的因素主要有振動(dòng)噪聲、溫度變化等等。外界振動(dòng)噪聲是影響激光頻率短時(shí)穩(wěn)定度與頻率噪聲的主要因素，而溫度變化則是導(dǎo)致激光長(zhǎng)期頻率漂移的主要因素。

為了減小振動(dòng)的影響，起初人們只是采取隔振的措施來減小傳遞到參考腔的振動(dòng)。1984年，J. L. Hall等人將兩套染料激光器分別鎖定在兩套獨(dú)立的參考腔上。為了減小振動(dòng)的影響，他們用鋁線把參考腔懸掛在真空室內(nèi)，通過兩套獨(dú)立的穩(wěn)頻激光系統(tǒng)進(jìn)行拍頻比對(duì)，證明514 nm染料激光器的線寬被壓縮到750 Hz。1994年，東京工業(yè)大學(xué)也采用懸掛方式，將46 cm長(zhǎng)的微晶玻璃制成的光學(xué)腔懸掛在真空室內(nèi)，獲得了線寬小于30 Hz、頻率不穩(wěn)定度達(dá)6 × 10-14的1 064 nm激光。1999年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology，NIST)將24 cm長(zhǎng)的光學(xué)參考腔放置在平臺(tái)上，利用4根3 m長(zhǎng)的橡皮筋將放置參考腔的平臺(tái)懸掛起來，有效地減小了傳遞到參考腔的振動(dòng)噪聲，最終獲得了0.6 Hz線寬、頻率不穩(wěn)定度為3×10-16的563 nm穩(wěn)頻激光[5]。

上述采用懸掛方式進(jìn)行減振，減振調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，且系統(tǒng)龐大，不容易復(fù)制。2004年，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(National Physical Laboratory，NPL)將光學(xué)參考腔放置在主動(dòng)隔振平臺(tái)上來減小外界振動(dòng)噪聲，獲得了亞Hz線寬、頻率不穩(wěn)定度為1.3×10-15的1 064 nm激光。之后，大多數(shù)科研小組都采用商售的、被動(dòng)或者主動(dòng)的隔振平臺(tái)進(jìn)行減振。

除了減振，科學(xué)家們還根據(jù)物體受力方式與形變的關(guān)系分析，從參考腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與支撐方式入手，使參考腔的腔長(zhǎng)對(duì)振動(dòng)不敏感，也稱為“振動(dòng)免疫”參考腔設(shè)計(jì)。2005年，美國(guó)科羅拉多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(Joint Institute of Laboratory Astrophysics，JILA)采取豎直支撐參考腔的方式，在5 cm長(zhǎng)的圓柱型光學(xué)腔體的中間位置進(jìn)行支撐[6]，如圖2(a)所示。由于支撐點(diǎn)在腔體的中間端面上，當(dāng)外加豎直方向的振動(dòng)a時(shí)，上腔鏡移動(dòng)后距中心面的距離為L(zhǎng)/2-ΔL，下腔鏡形變后距中心面的距離為L(zhǎng)/2+ΔL，因而使兩腔鏡間的相對(duì)距離仍為L(zhǎng)，從而有效地減少環(huán)境振動(dòng)對(duì)腔長(zhǎng)變化的影響。在利用這種特殊設(shè)計(jì)的參考腔后，他們實(shí)現(xiàn)了Hz線寬的1 064 nm穩(wěn)頻激光。2007年，美國(guó)JILA將698 nm激光鎖定在7.75 cm長(zhǎng)、類似的豎直放置的光學(xué)參考腔上，獲得了0.3 Hz線寬、頻率不穩(wěn)定度為1×10-15的激光。

在國(guó)內(nèi)，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從2005年開始利用7.75 cm長(zhǎng)、豎直放置的光學(xué)參考腔對(duì)1 064 nm激光進(jìn)行穩(wěn)頻。2008年初步建立了兩套1 064 nm窄線寬穩(wěn)頻激光系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)獲得的激光線寬達(dá)到2 Hz。在減小激光幅度噪聲對(duì)參考腔長(zhǎng)度的影響和光纖長(zhǎng)度變化引起的隨機(jī)光位相噪聲后，于2010年將激光的最可幾線寬壓縮到1 Hz，激光頻率不穩(wěn)定度達(dá)到1.5×10-15(1 s平均時(shí)間)。之后，進(jìn)一步克服了電光調(diào)制器的剩余幅度噪聲等對(duì)激光頻率穩(wěn)定性的影響，于2013年研制成0.6 Hz線寬穩(wěn)頻激光，激光頻率不穩(wěn)定度達(dá)到1.2×10-15(1 s平均時(shí)間)[7]。

圖2 振動(dòng)免疫參考腔設(shè)計(jì)：(a)豎直放置結(jié)構(gòu)；(b)水平放置結(jié)構(gòu)

基于振動(dòng)不敏感的光學(xué)參考腔的設(shè)計(jì)理念，后來人們也開始對(duì)水平腔的支撐方式進(jìn)行振動(dòng)免疫設(shè)計(jì)。2007年，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)設(shè)計(jì)了腔長(zhǎng)近100 mm的水平放置光學(xué)參考腔，如圖2(b)所示。他們采用數(shù)值模擬計(jì)算，當(dāng)參考腔的支撐位置不同時(shí)，得到在受振動(dòng)加速度后兩個(gè)鏡面中心點(diǎn)之間的距離，從而得到最佳支撐位置，此時(shí)腔長(zhǎng)由于震動(dòng)引起的變化最小。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)上測(cè)量了當(dāng)參考腔處于最佳支撐方式時(shí)，參考腔在垂直方向的振動(dòng)敏感度為3.5×10-12/g。之后，德國(guó)PTB、美國(guó)JILA和NIST等實(shí)驗(yàn)室紛紛建立了長(zhǎng)度在30 cm以上的水平放置的參考腔，通過數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到振動(dòng)不敏感的最佳支撐位置。

2.2 降低參考腔的熱噪聲影響

對(duì)于10 cm長(zhǎng)的光學(xué)參考腔來說，當(dāng)環(huán)境振動(dòng)對(duì)它的影響降到一定程度后，人們發(fā)現(xiàn)激光的頻率不穩(wěn)定度不再下降，還是無法超越1999年美國(guó)NIST用24 cm長(zhǎng)的參考腔實(shí)現(xiàn)的3 × 10-16的激光頻率不穩(wěn)定度。2004年，Numata等人分析發(fā)現(xiàn)[8]：參考腔的腔體、腔鏡的基片和鍍膜分子都在無規(guī)則地自由運(yùn)動(dòng)，這種熱運(yùn)動(dòng)引起的10 cm光學(xué)參考腔的腔長(zhǎng)起伏在10-16m量級(jí)，而利用該參考腔進(jìn)行穩(wěn)頻的激光的頻率不穩(wěn)定度就被限制在1×10-15，這和實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)相吻合。

從參考腔的熱噪聲中分析，腔鏡和鍍膜材料分子的熱運(yùn)動(dòng)占主要因素，因此增加參考腔的腔長(zhǎng)將減小參考腔的相對(duì)長(zhǎng)度變化，這很好地解釋了美國(guó)NIST用24 cm長(zhǎng)的參考腔得到激光頻率不穩(wěn)定度為3×10-16的原因。鑒于這項(xiàng)分析，2011年，美國(guó)NIST采用30 cm長(zhǎng)的光學(xué)參考腔得到了頻率不穩(wěn)定度為3×10-16的578 nm激光(鐿原子光鐘本振激光)。2012年，美國(guó)JILA實(shí)驗(yàn)室采用40 cm長(zhǎng)的光學(xué)參考腔，將鍶原子光鐘的本地振蕩激光(698 nm)的頻率不穩(wěn)定度降低至1×10-16(1 s平均時(shí)間)。2015年，PTB采用48 cm長(zhǎng)的光學(xué)參考腔，實(shí)現(xiàn)了頻率不穩(wěn)定度為8.7×10-17的698 nm穩(wěn)頻激光。這些腔長(zhǎng)較長(zhǎng)的光學(xué)參考腔，都采用上文提到的水平支撐方式，從而獲得非常小的振動(dòng)敏感度。

在國(guó)內(nèi)，開展長(zhǎng)度約30 cm的光學(xué)參考腔實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度激光的研究單位有華東師范大學(xué)、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、華中科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理與數(shù)學(xué)研究所。他們通過克服振動(dòng)噪聲的影響，陸續(xù)實(shí)現(xiàn)頻率不穩(wěn)定度在10-16量級(jí)的激光，有的能夠達(dá)到2 × 10-16[9]，接近參考腔的熱噪聲極限。

除了增加腔長(zhǎng)外，降低溫度是減小參考腔材料分子熱運(yùn)動(dòng)的最直接方法。2012年，德國(guó)PTB和美國(guó)JILA實(shí)驗(yàn)室共同研制了21 cm長(zhǎng)的單晶硅光學(xué)參考腔。該參考腔置于124 K低溫環(huán)境中，并實(shí)現(xiàn)了1.5 μm激光頻率鎖定到參考腔的諧振頻率上，測(cè)得激光頻率不穩(wěn)定度為1×10-16(1 s積分時(shí)間)、線寬為40 mHz。之后，他們優(yōu)化了參考腔的支撐方式，減小了振動(dòng)的影響。2017年，該1.5 μm穩(wěn)頻激光的頻率不穩(wěn)定度可達(dá)4×10-17，線寬達(dá)到10 mHz[10]。2017年，美國(guó)JILA實(shí)驗(yàn)室采用閉環(huán)式液氦制冷機(jī)冷卻6 cm長(zhǎng)的單晶硅參考腔至4 K，并將1.5 μm激光鎖定在該低溫參考腔上，實(shí)現(xiàn)了17 mHz線寬、秒穩(wěn)為1 ×10-16的穩(wěn)頻激光。采用閉環(huán)式液氦制冷機(jī)對(duì)光學(xué)參考腔進(jìn)行制冷，制冷機(jī)的振動(dòng)噪聲很大，因此振動(dòng)不敏感的參考腔設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

除了上述采用降低溫度和增加腔長(zhǎng)外，由于腔鏡和鍍膜材料分子的熱運(yùn)動(dòng)占主要因素，因此采用低機(jī)械損耗的腔體材料也有助于降低參考腔的熱噪聲影響。2009年，法國(guó)巴黎天文臺(tái)采用機(jī)械損耗較ULE玻璃小的熔石英材料作為參考腔的腔鏡，從而利用10 cm長(zhǎng)的參考腔實(shí)現(xiàn)激光頻率不穩(wěn)定度為5.6 ×10-16(1 s平均時(shí)間)的穩(wěn)頻激光，是使用全ULE玻璃材料制成參考腔的熱噪聲極限的1/2倍。除了腔鏡使用低機(jī)械損耗的材料，2013年，G. D. Cole等人發(fā)現(xiàn)：AlGaAs晶體鍍膜材料的機(jī)械損耗比傳統(tǒng)的Ta2O5/SiO2膜層降低近一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而可降低參考腔熱噪聲對(duì)激光頻率穩(wěn)定性的影響。

另外，如果增大光學(xué)參考腔腔鏡上的光斑面積，可使鏡面上熱噪聲起伏在更大面積上進(jìn)行平均，也可降低參考腔的熱噪聲影響。2017年，美國(guó)NIST采用曲率半徑為10.5 m的凹面鏡制成光學(xué)參考腔，將腔鏡上的光斑直徑從0.5 mm左右增大到1.34 mm，從而利用29 cm長(zhǎng)的光學(xué)參考腔實(shí)現(xiàn)熱噪聲限制的激光頻率不穩(wěn)定度為1×10-16的穩(wěn)頻激光。2018年，華中科技大學(xué)將激光鎖定在10 cm長(zhǎng)的全ULE材料的光學(xué)參考腔的HG02模上，實(shí)現(xiàn)了激光頻率不穩(wěn)定度為4.9×10-16的穩(wěn)頻激光，略小于鎖定在光學(xué)參考腔的HG00模上的熱噪聲極限(6×10-16)。

2.3 可搬運(yùn)穩(wěn)頻激光系統(tǒng)

以上窄線寬穩(wěn)頻激光系統(tǒng)都放置在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過將參考腔放置在特殊的支撐點(diǎn)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)免疫的功能，因此參考腔不容易搬動(dòng)。隨著窄線寬穩(wěn)頻激光器的應(yīng)用逐漸從實(shí)驗(yàn)室環(huán)境擴(kuò)展到室外乃至太空環(huán)境中，如重力勢(shì)測(cè)量、空間引力波探測(cè)等，研制可搬運(yùn)的穩(wěn)頻激光是十分必要的。

在可搬運(yùn)窄線寬穩(wěn)頻激光系統(tǒng)中，既能實(shí)現(xiàn)光學(xué)參考腔的搬運(yùn)特性又能保持參考腔對(duì)環(huán)境振動(dòng)的不敏感是研制該系統(tǒng)最核心的問題。2011年，美國(guó)NIST設(shè)計(jì)了直徑為50.8 mm的球形光學(xué)參考腔，腔體由球心對(duì)稱的兩點(diǎn)擠壓固定，參考腔的通光軸與支撐軸的夾角經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，使得參考腔的腔長(zhǎng)對(duì)加持力不敏感。2013年，他們?cè)O(shè)計(jì)了高精度振動(dòng)測(cè)量與反饋消除的系統(tǒng)，使得環(huán)境振動(dòng)對(duì)參考腔長(zhǎng)度的影響在10-12/g量級(jí)。他們將穩(wěn)頻激光系統(tǒng)放置在行駛的客車中，測(cè)得1 070 nm激光鎖定線寬為100 Hz。2011年英國(guó)NPL實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了邊長(zhǎng)為50 mm的立方體光學(xué)腔，將正方體8個(gè)頂點(diǎn)切割邊長(zhǎng)為6.7 mm的正三角形平面，在其中4個(gè)對(duì)稱頂點(diǎn)進(jìn)行擠壓支撐，通過倒轉(zhuǎn)腔體，測(cè)得振動(dòng)敏感度為2.5×10-11/g。之后，德國(guó)PTB的研究小組設(shè)計(jì)了圓柱形水平放置的光學(xué)參考腔，在參考腔的3個(gè)維度上多點(diǎn)擠壓支撐，實(shí)現(xiàn)可搬運(yùn)及振動(dòng)不敏感，最終將穩(wěn)頻激光的頻率不穩(wěn)定度改進(jìn)到10-16量級(jí)。

3 總結(jié)與展望

從1983年第一次提出PDH技術(shù)開始，經(jīng)過35年的發(fā)展，穩(wěn)頻激光的線寬從百赫茲量級(jí)到如今的十毫赫茲量級(jí)。然而繼續(xù)前進(jìn)的步伐還沒有終止，因?yàn)橄裨庸忡?、空間引力波探測(cè)、低噪聲微波/光波信號(hào)合成等應(yīng)用需要頻率穩(wěn)定度更高、線寬更窄的激光。例如：在原子光鐘中，窄線寬穩(wěn)頻激光作為光鐘的鐘躍遷激光，如將穩(wěn)頻激光的頻率不穩(wěn)定度從10-15提高到10-17，可將光鐘的頻率穩(wěn)定度提高兩個(gè)量級(jí)，從而能使光鐘實(shí)現(xiàn)10-18精度的測(cè)量時(shí)間從106s(11天)減少到百秒量級(jí)。這使得利用光鐘進(jìn)行高精度測(cè)量瞬時(shí)物理量變化成為可能。

進(jìn)一步提高穩(wěn)頻激光的頻率穩(wěn)定度和壓窄激光線寬的難度比以往更大，這是因?yàn)槔肞DH技術(shù)穩(wěn)頻的激光系統(tǒng)已受限于參考腔的熱噪聲。從參考腔的熱噪聲分析來看，要使參考腔的熱噪聲對(duì)穩(wěn)頻激光的頻率穩(wěn)定度的影響降到10-18量級(jí)，可行的方法只有使用長(zhǎng)度在30 cm左右且溫度在4 K左右的光學(xué)參考腔。這對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的考驗(yàn)非常大：制冷機(jī)的制冷功率有限，很難對(duì)如此龐大的參考腔進(jìn)行冷卻；制冷溫度在幾十微開的起伏將破壞參考腔的頻率穩(wěn)定度，還需在參考腔和制冷系統(tǒng)直接增加足夠的熱屏蔽層，從而衰減一些溫度起伏，這將給制冷系統(tǒng)又增加制冷負(fù)載；循環(huán)制冷機(jī)的振動(dòng)噪聲非常大，目前采用振動(dòng)不敏感的設(shè)計(jì)，也僅能將其減小到10-17量級(jí)，而長(zhǎng)度在30 cm左右的長(zhǎng)腔，其對(duì)振動(dòng)的敏感度將更大。因此如何突破現(xiàn)有的支撐設(shè)計(jì)、獲得超低的振動(dòng)敏感度將是10-18激光頻率穩(wěn)定度的最大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)然，為了繞過參考腔的熱噪聲影響，也有人試圖從原子系統(tǒng)獲得超窄線寬激光。在“主動(dòng)光鐘”方案中，北京大學(xué)與美國(guó)JILA實(shí)驗(yàn)室將具有窄躍遷譜線的原子放在光學(xué)腔中，分別作為激光增益與激光腔。由于激光增益介質(zhì)的能級(jí)躍遷寬度遠(yuǎn)小于激光腔的線寬，在此條件下產(chǎn)生的激光的頻率主要依賴于增益介質(zhì)的窄線寬躍遷，而不是激光腔的長(zhǎng)度。除了該方案，也有人提出利用超窄線寬的原子躍遷譜線作為激光鑒頻曲線進(jìn)行激光穩(wěn)頻，結(jié)合光學(xué)腔增強(qiáng)效應(yīng)補(bǔ)償躍遷能級(jí)間的弱相互作用，從而提高鐘躍遷譜線的信噪比。華東師范大學(xué)也提出了利用毫赫茲量級(jí)的原子能級(jí)躍遷寬度的四能級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)生四波混頻光的設(shè)想。該方案中，混頻光的線寬主要受原子能級(jí)之間躍遷寬度限制，能夠達(dá)到毫赫茲量級(jí)。目前，上述采用原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)窄線寬激光的方法還依賴于連續(xù)原子的制備，或者還需克服原子運(yùn)動(dòng)等問題。

暢想未來，我們期望有朝一日能夠?qū)崿F(xiàn)毫赫茲甚至亞毫赫茲線寬的穩(wěn)頻激光。那時(shí)再進(jìn)行精密光譜和精密測(cè)量時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)更多目前無法觀測(cè)到的現(xiàn)象，也能為人類探索新的規(guī)律提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。同時(shí)，我們還期待超窄線寬穩(wěn)頻激光系統(tǒng)能夠做到小型化甚至微型化，為利用窄線寬穩(wěn)頻激光開展研究帶來無比的便利。