顏 波

(浙江大學(xué) 物理學(xué)院，浙江 杭州 310027)

1 光的頻率測(cè)量

光是一種電磁波，其波長(zhǎng)λ、頻率ν和光速c滿足

c=λν，

(1)

波長(zhǎng)和頻率是光的2個(gè)基本參量，其絕對(duì)值測(cè)量具有重要的科學(xué)意義. 對(duì)于光波長(zhǎng)的精確測(cè)量，邁克耳孫作出了巨大貢獻(xiàn)，其發(fā)明的邁克耳孫干涉儀可以精確測(cè)量波長(zhǎng). 與波長(zhǎng)測(cè)量相比，直接測(cè)量光的頻率極其困難，因?yàn)楣獾念l率非常高(一般在102THz量級(jí)). 采用電子學(xué)器件可以測(cè)量GHz量級(jí)的信號(hào)，而無(wú)法測(cè)量102THz量級(jí)的光頻率信號(hào).

為了實(shí)現(xiàn)光速的高精度測(cè)定，光的頻率高精度測(cè)定成為重要需求[1]. 從20世紀(jì)60年代開始，科學(xué)家們實(shí)施了“倍頻頻率鏈”計(jì)劃精確測(cè)定激光的頻率，具體為：通過倍頻、拍頻將已知的低頻信號(hào)往上推，不斷確定更高頻信號(hào)的頻率值. 通過近20個(gè)振蕩器(用原子或分子的躍遷頻率來鎖定)一級(jí)一級(jí)推高頻率，一直到所需要的光頻段，示意圖如圖1(a)所示，過程為：找到合適的振蕩頻率源，鎖定到相應(yīng)的分子躍遷頻率上；對(duì)這些信號(hào)和低頻段信號(hào)的倍頻信號(hào)進(jìn)行拍頻來確定準(zhǔn)確頻率；通過近20個(gè)中介頻率源，最終推高到光頻段，標(biāo)定了幾個(gè)光頻躍遷絕對(duì)頻率.

(a)“倍頻頻率鏈”示意圖

由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要找到合適的光源和原子(或分子)的躍遷譜線來鎖定，“倍頻頻率鏈”計(jì)劃非常龐大和復(fù)雜，被稱為“史詩(shī)級(jí)”項(xiàng)目. 經(jīng)過20多年的努力，美國(guó)計(jì)量局(NIST)、巴黎天文臺(tái)和德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)完成了測(cè)量，將光速的測(cè)量精度提高到前所未有的精度，其測(cè)量精度已經(jīng)受限于當(dāng)時(shí)國(guó)際單位制中“m”定義的精度. 將光速作為常量，1983年采用光速來定義“m”，并成為新的國(guó)際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn).

2000年左右，隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展和成熟，出現(xiàn)了“光頻梳”技術(shù). 如圖1(b)和(c)所示，圖1(b)是時(shí)域信號(hào)，表現(xiàn)出來的是等間隔的飛秒脈沖；圖1(c)是頻域信號(hào)，是時(shí)域信號(hào)的傅里葉變換，表現(xiàn)出來的是等間隔的頻率梳齒. 穩(wěn)定鎖定的飛秒激光在時(shí)間域上看是重復(fù)的飛秒脈沖，在頻率域上看則是等間隔的頻率梳齒. 由于激光脈寬在fs量級(jí)，其頻率間隔將在GHz量級(jí)，該頻率間隔可采用電子學(xué)儀器進(jìn)行測(cè)量. 對(duì)于任意激光，只需要和頻率梳進(jìn)行拍頻，通過拍頻信號(hào)就可以計(jì)算得到光的頻率，從而完成絕對(duì)頻率值的測(cè)量[2]. 光頻梳不僅替代了“倍頻頻率鏈”，而且簡(jiǎn)單方便，大大拓展了頻率測(cè)量范圍[3-4]，頻率梳技術(shù)也因此獲得了2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[5]. 在上述研究中，為了實(shí)現(xiàn)頻率的高精度測(cè)量，必須要有穩(wěn)定的激光頻率，因此激光鎖頻極其重要.

2 激光鎖頻

激光頻率測(cè)量要求激光頻率穩(wěn)定，因此需要對(duì)激光進(jìn)行頻率鎖定. 冷原子物理研究是激光頻率測(cè)量的重要應(yīng)用方向，研究人員使用激光對(duì)原子進(jìn)行冷卻，由于原子的上能級(jí)線寬為10 MHz量級(jí)，因此需要將激光鎖定到MHz量級(jí)的頻率穩(wěn)定度. 另外，原子的光頻段躍遷可以用來作為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，特別是光鐘的研究對(duì)激光頻率穩(wěn)定性提出了極高的要求. 這些研究都極大地推進(jìn)了激光鎖頻技術(shù)的發(fā)展.

2.1 激光鎖頻系統(tǒng)

激光鎖頻系統(tǒng)如圖2所示. 鑒頻系統(tǒng)是對(duì)激光的頻率進(jìn)行鑒定，一般將激光頻率和某個(gè)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較. 可以和已知頻率的激光進(jìn)行拍頻，也可以用原子或者分子的躍遷譜線來標(biāo)定，還可采用光學(xué)腔的共振頻率來鑒頻，等等. 鑒頻系統(tǒng)給出激光頻率的信息，輸出激光頻率和目標(biāo)基準(zhǔn)頻率的誤差信號(hào)；然后通過反饋系統(tǒng)控制激光，將激光頻率穩(wěn)定在目標(biāo)基準(zhǔn)頻率上，從而實(shí)現(xiàn)激光鎖頻. 反饋系統(tǒng)一般采用通用電路，將獲得的誤差信號(hào)反饋到激光的電流或者壓電陶瓷(PZT)等部分來調(diào)節(jié)激光頻率.

圖2 激光鎖頻系統(tǒng)示意圖

2.2 原子光譜法

光頻段頻率基準(zhǔn)中，最常采用原子或者分子的吸收峰. 圖3所示為常用的吸收光譜測(cè)量方案. 原子氣室中物質(zhì)處于氣態(tài)，密度很低，可以忽略原子之間碰撞，因此共振譜線非常穩(wěn)定，可作為頻率參考源. 對(duì)于很多應(yīng)用，例如激光冷卻原子，關(guān)注的核心是激光頻率相對(duì)于原子共振頻率的差值，用原子共振頻率作為鑒頻信號(hào)是最佳選擇. 另一方面，由于氣室中的原子存在熱運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致多普勒展寬，室溫下會(huì)有幾百M(fèi)Hz到GHz量級(jí)的展寬. 這個(gè)展寬對(duì)于一些鎖頻應(yīng)用來說過寬，因此發(fā)展亞多普勒光譜技術(shù)非常必要. 其中著名的解決方案是T. H?nsch教授等人于1971年提出的飽和吸收法[6-7].

圖3 吸收光譜法示意圖

飽和吸收光譜的基本光路如圖4(a)所示，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)吸收光譜基礎(chǔ)上，加上了1束對(duì)射的強(qiáng)泵浦光. 對(duì)于最簡(jiǎn)單的二能級(jí)系統(tǒng)，原子躍遷的本征頻率為ω0，2束激光的頻率均為ωL.沒有泵浦光時(shí)，得到的是多普勒吸收光譜.加入強(qiáng)泵浦光后，會(huì)引入非線性效應(yīng)，發(fā)生燒孔效應(yīng).考慮一維情況，取探測(cè)光行進(jìn)方向?yàn)檎瑢?duì)于速度為v1的原子，當(dāng)激光頻率滿足ωL=ω0-kv1時(shí)，原子和泵浦光共振.由于泵浦光很強(qiáng)，使得基態(tài)和激發(fā)態(tài)的布居變得接近(飽和吸收現(xiàn)象)，基態(tài)原子的布居在速度空間上出現(xiàn)燒孔現(xiàn)象，如圖4(b)所示，當(dāng)ωL≠ω0時(shí)，這2個(gè)燒孔的位置不同，相互影響很小.燒孔的速度為

v1=(ω0-ωL)/k.

(2)

對(duì)于弱探測(cè)光來說，其具有同樣的頻率ωL.與之共振的原子速度v2滿足

v2=(ωL-ω0)/k.

(3)

當(dāng)ωL≠ω0時(shí)，v1≠v2，探測(cè)光共振的原子和泵浦光燒孔的原子速度區(qū)域不同，泵浦光對(duì)探測(cè)光的作用不大，如圖4(b)所示，這時(shí)探測(cè)光的吸收信號(hào)和傳統(tǒng)吸收光譜一致.但是當(dāng)ωL=ω0時(shí)，探測(cè)光共振的原子(v1=0)剛好是被飽和泵浦的原子(v2=0).此時(shí)探測(cè)光的吸收被抑制，從而在吸收譜線上出現(xiàn)燒孔現(xiàn)象，如圖4(c)所示，圖中大的包絡(luò)是多普勒展寬的線型，中間凹陷是由于飽和吸收導(dǎo)致的吸收抑制，稱為飽和吸收效應(yīng)，其線寬由原子自然線寬和激光功率展寬共同決定，一般遠(yuǎn)小于多普勒展寬.飽和吸收光譜法是激光鎖頻中應(yīng)用最廣泛的鑒頻方案.

(a)飽和吸收光譜測(cè)量基本光路圖

2.3 調(diào)制解調(diào)法

原子共振頻率可以作為很好的參考頻率源. 但是對(duì)于激光鎖頻，還需要將其轉(zhuǎn)換成過0的誤差信號(hào)，才可以反饋到激光器控制系統(tǒng)中，以此來穩(wěn)定頻率. 在信號(hào)處理領(lǐng)域，采用調(diào)制解調(diào)法[8]可以得到微分信號(hào)，使得共振峰剛好過0，從而給出誤差信號(hào). 典型調(diào)制解調(diào)法的工作原理如圖5所示.

圖5 調(diào)制解調(diào)方法示意圖

假設(shè)吸收光譜的線型是G(ω).通過頻率為Ω的調(diào)制信號(hào)(例如加在激光電流上)調(diào)制激光，激光頻率為

ω′=ω0+Asin (Ωt)，

(4)

假設(shè)調(diào)制信號(hào)是微擾，在ω0附近將G(ω)做泰勒展開，得到

G(ω′)=G(ω0)+G′(ω0)Asin (Ωt)+

(5)

目標(biāo)是獲得微分信號(hào)G′(ω0).為此，將調(diào)制后的信號(hào)G(ω′)與sin (Ωt)相乘，然后采用低通濾波取出直流項(xiàng)，得到

(6)

剛好為微分信號(hào)，共振峰處為0，可作為誤差信號(hào)來進(jìn)行穩(wěn)頻.

調(diào)制解調(diào)方案是經(jīng)典通訊中常用的手段，但是該方法需要對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，而調(diào)制往往會(huì)帶來激光線寬的擴(kuò)展，難以滿足某些對(duì)激光線寬要求嚴(yán)格的應(yīng)用需求.為了解決該問題，可以采用調(diào)制轉(zhuǎn)移方案.

2.4 調(diào)制轉(zhuǎn)移法

調(diào)制轉(zhuǎn)移方案采取在激光器外部進(jìn)行調(diào)制的方法來產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，然后進(jìn)行解調(diào)獲得微分信號(hào)[9-10]，典型光路圖如圖6所示，與飽和吸收光路最大的差別在于泵浦光路上增加了電光調(diào)制器(EOM). 由于調(diào)制加在泵浦光路上，通過非線性過程轉(zhuǎn)移到吸收光路，因此該方法被稱為調(diào)制轉(zhuǎn)移法. 此時(shí)獲得的吸收信號(hào)是經(jīng)過調(diào)制的，需要進(jìn)行解調(diào). 解調(diào)方案和圖5所示一致，只需要將EOM的調(diào)制信號(hào)作為解調(diào)信號(hào)，從而獲得微分信號(hào).

圖6 調(diào)制轉(zhuǎn)移的光路圖

假設(shè)EOM的調(diào)制頻率為ωm，泵浦光經(jīng)過調(diào)制后，表示為

y(t)=Acos [ωct+βcos (ωmt) ]=

(7)

其中，A為調(diào)制幅度，β為調(diào)相指數(shù).利用貝塞爾函數(shù)展開后，看到調(diào)制后的載波信號(hào)由原先的單一頻率ωc轉(zhuǎn)變?yōu)橐驭豤為中心頻率、以調(diào)制頻率ωm為間隔的一系列頻率的集合.當(dāng)β?1時(shí)，保留到一階項(xiàng)，得到

y(t)=AJ0(β)cos (ωct)+AJ+1(β)cos [(ωc+ωm)t]+

AJ-1(β)cos [(ωc-ωm)t].

(8)

通過四波混頻將泵浦光上的調(diào)制轉(zhuǎn)移到探測(cè)光上，通過相位共軛產(chǎn)生探測(cè)光的側(cè)邊帶，最終對(duì)探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制.經(jīng)過解調(diào)后，得到信號(hào)[7]

S(Ω)=A0cos (Ωt+φ)+B0sin (Ωt+φ)，

(9)

其中，A0為吸收部分信號(hào)，B0為色散部分信號(hào).選擇合適參量，可以獲得過0的誤差信號(hào)，從而用來反饋獲得的激光穩(wěn)頻效果.

調(diào)制轉(zhuǎn)移方案使用外置EOM，對(duì)激光本身不進(jìn)行調(diào)制，因此不額外引入激光頻率展寬. 另外，EOM的調(diào)制頻率為10～20 MHz，高于一般調(diào)制解調(diào)法所使用的頻率(10 kHz量級(jí)). 該調(diào)制頻率可以極大地減少低頻噪聲的影響，獲得信噪比較高的誤差信號(hào)，從而獲得更好的穩(wěn)頻效果.

2.5 二向色性原子蒸氣激光鎖頻法

美國(guó)JILA小組在1998年提出了二向色性原子蒸氣激光鎖頻方案(Dichroic-atomic-vapor laser lock，DAVLL)[11-13]. 該方法使用2束光作差來產(chǎn)生微分信號(hào)，非常簡(jiǎn)單方便，是鎖頻實(shí)驗(yàn)中常用的方法.

DAVLL方案利用原子在磁場(chǎng)下塞曼分裂和原子躍遷的偏振選擇性，如圖7(a)所示，原子氣室處于磁場(chǎng)中. 線偏振光經(jīng)過原子氣室，在縱向磁場(chǎng)下分解為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光. 由于塞曼效應(yīng)，原子能級(jí)發(fā)生分裂，由于不同方向的偏振光(σ+,σ-)對(duì)應(yīng)的磁量子變化不同，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)下吸收峰將錯(cuò)開. 通過1/4波片和偏振分束棱鏡(PBS)將2個(gè)偏振分量分離并分別探測(cè)[圖7(b)中信號(hào)b和c]，將二者作差可獲得誤差信號(hào)[圖7(c)]，最終反饋給激光實(shí)現(xiàn)閉環(huán)鎖定.

DAVLL 鎖頻方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在較大頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率鎖定，增加了該方案的穩(wěn)定性. 但此方案也存在不足，其0點(diǎn)位置對(duì)于光路比較敏感，鎖定點(diǎn)容易發(fā)生漂移.

(a)DAVLL鎖頻方案示意圖

2.6 光學(xué)腔PDH方法

光學(xué)法布里-珀羅微腔(F-P腔)也是常用的鑒頻器件. 激光在F-P腔內(nèi)往復(fù)反射，只有滿足條件(腔長(zhǎng)L是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍)的光才能在F-P腔中形成振蕩，存在共振峰，其共振條件為

2L=mλ，

(10)

其中，m為正整數(shù). 滿足該條件的激光頻率稱為共振頻率. 如果腔比較穩(wěn)定，這些共振峰也將非常穩(wěn)定，可以作為頻率參考源. Pound-Drever-Hall(PDH)鎖頻技術(shù)是將激光頻率鎖定到F-P腔的共振峰上，該方法最初由R. V. Pound提出，后經(jīng)J. L. Hall與R. W. P. Drever等人發(fā)展起來[14-16]，并以3位科學(xué)家名稱縮寫命名. 圖8所示為PDH鎖頻方案示意圖.

圖8 PDH鎖頻方案示意圖

當(dāng)激光頻率滿足光學(xué)腔的共振條件時(shí)，腔的反射輸出強(qiáng)度最小，通過掃描激光頻率可以得到共振峰. 為了得到共振時(shí)過0的誤差信號(hào)，同樣需要在光路上加EOM，通過調(diào)制解調(diào)獲得誤差信號(hào).

設(shè)入射光的電場(chǎng)為Einc=E0exp (iωt)，腔反射光的電場(chǎng)為Eref=E1exp (iωt),則反射系數(shù)為

(11)

其中，r為腔內(nèi)鏡子的振幅反射率，Δνfsr=c/(2L)為腔(長(zhǎng)度為L(zhǎng))的自由光譜范圍.EOM用頻率為Ω、調(diào)相指數(shù)為β的信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制.調(diào)制后入射光的電場(chǎng)變?yōu)?/p>

Einc=E0exp {i[ωt+βsin (Ωt)]}，

(12)

用貝塞爾函數(shù)展開式(12)，取到一階項(xiàng)

Einc=E0[J0(β)eiωt+J1(β)ei(ω+Ω)t-

J1(β)ei(ω-Ω)t]，

(13)

除了載波頻率ω外，還有2個(gè)一階邊帶ω±Ω.定義P0=|E0|2為入射光總功率，則載波功率為Pc=J0(β)2P0，每個(gè)一階邊帶功率為Ps=J1(β)2P0.則經(jīng)過腔的反射光電場(chǎng)為

Eref=E0[F(ω)J0(β)eiωt+F(ω+Ω)J1(β)ei(ω+Ω)t-F(ω-Ω)J1(β)ei(ω-Ω)t]，

(14)

探測(cè)器探測(cè)到的反射光功率為

(15)

其中，Ω為含有載波和邊帶的拍頻，2Ω為含有邊帶間的拍頻.使用前面介紹的混頻、低通濾波方法進(jìn)行解調(diào)，可以檢出cos (Ωt)或sin (Ωt)成分的大小，給出誤差信號(hào)ε，如圖9所示.

該鎖頻方案使用電光調(diào)制器(EOM)對(duì)激光器進(jìn)行外調(diào)制，不會(huì)增加激光線寬. 調(diào)制頻率較高(20 MHz量級(jí))，因此可以較大程度抑制低頻噪聲的影響. 除此之外，通過使用F-P腔產(chǎn)生高精細(xì)度的共振頻率基準(zhǔn)代替前者的飽和吸收峰，能夠更大程度上壓窄線寬，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的鎖頻. 近年來，隨著超穩(wěn)腔的發(fā)展，激光被鎖定的頻率精度達(dá)到mHz量級(jí)[17]，也是目前世界上最穩(wěn)定的激光，適合用來做光鐘實(shí)驗(yàn).

圖9 PDH方案產(chǎn)生的典型誤差信號(hào)示意圖

3 激光鎖頻應(yīng)用及新進(jìn)展

激光鎖頻技術(shù)在學(xué)科發(fā)展的帶動(dòng)下，取得了重要進(jìn)展，也應(yīng)用到越來越廣泛的場(chǎng)景. 這些新場(chǎng)景的應(yīng)用也給其帶來了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇以及新的激光鎖頻技術(shù)出現(xiàn). 下面簡(jiǎn)述重要應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展.

3.1 小型化及自動(dòng)化

冷原子物理經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)從基礎(chǔ)研究慢慢向應(yīng)用轉(zhuǎn)變. 冷原子干涉儀、冷原子鐘、重力計(jì)等都已經(jīng)被制成儀器，并進(jìn)入實(shí)用化階段. 應(yīng)用階段對(duì)系統(tǒng)的要求各不相同，需要考慮小型化、自動(dòng)化、穩(wěn)定性以及性價(jià)比等. 對(duì)激光鎖頻模塊，研究人員發(fā)展出各種小型化方案. 為了使光路緊湊，可以使用集成光子學(xué)技術(shù)來優(yōu)化光路[18]，降低成本，如圖10(a)所示;為了使系統(tǒng)更加可靠，使用全光纖系統(tǒng)降低振動(dòng)等影響;為了使鑒頻用的原子氣室變小，使用刻蝕技術(shù)構(gòu)造小型氣室[19]，如圖10(b)所示. 激光鎖頻技術(shù)工程化的另一重大牽引來自于空間技術(shù)的發(fā)展[20-22]，圖10(c)所示為上海光機(jī)所研制的國(guó)際上第1臺(tái)空間冷原子鐘樣機(jī)示意圖. 由于空間科學(xué)的特殊性，無(wú)法像地面實(shí)驗(yàn)一樣進(jìn)行各種人工操作和系統(tǒng)調(diào)試，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性極為重要.

(a)利用集成光子學(xué)技術(shù)來小型化[18]

對(duì)于激光來說，也必須能夠自動(dòng)鎖頻. 圖10(d)為冷原子鐘的鎖頻光路圖[23]，采用了自動(dòng)鎖頻技術(shù)，可以在極短時(shí)間內(nèi)判斷激光的頻率鎖定情況，并進(jìn)行自動(dòng)鎖頻.

3.2 超穩(wěn)腔鎖頻

對(duì)激光鎖頻精度要求最高的領(lǐng)域是光鐘的研究[24-25]. 光鐘使用光頻作為時(shí)間基準(zhǔn)，需要頻率穩(wěn)定性較高的激光，并且激光的線寬越窄，光鐘的性能越好. 因此需要將激光鎖定到穩(wěn)定性極高、線寬極窄的頻率基準(zhǔn)上. 實(shí)際上，科學(xué)家使用F-P腔的共振峰來作為頻率基準(zhǔn)，如果腔的長(zhǎng)度足夠穩(wěn)定，那么其共振峰就是非常穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn). 影響腔長(zhǎng)最重要的是熱效應(yīng)，熱噪聲會(huì)導(dǎo)致腔長(zhǎng)的起伏，進(jìn)而影響共振峰的穩(wěn)定性. 為此科學(xué)家使用超低膨脹系數(shù)(ULE)的材料來制作超穩(wěn)腔，如圖11(a)所示. 將激光鎖定到ULE超穩(wěn)腔上，可以獲得亞赫茲的線寬[26].

(a)ULE超穩(wěn)腔[26]

近年來，為了進(jìn)一步提高腔的穩(wěn)定性，科學(xué)家發(fā)展了硅單晶超穩(wěn)腔[27]. 單晶硅超強(qiáng)的剛性使其對(duì)振動(dòng)不敏感. 在一定溫度下，熱膨脹系數(shù)幾乎為0，大大降低了熱噪聲的影響. 相比于ULE超穩(wěn)腔，單晶硅超穩(wěn)腔性能提高了1個(gè)量級(jí)，最終將激光鎖定到mHz量級(jí)的穩(wěn)定度，如圖11(c)和(d)所示，低溫情況下，鎖定在單晶硅腔上的激光線寬達(dá)到15 mHz.

3.3 傳輸腔鎖頻

在激光冷卻原子研究中，激光鎖定在原子的吸收譜線上. 原子的吸收光譜容易獲得，這使得激光鎖頻非常方便. 但是對(duì)于其他情況，例如激光冷卻分子研究，由于分子的吸收譜線很難獲得，因此無(wú)法將激光鎖定在分子的躍遷譜線上.

圖12為浙江大學(xué)課題組設(shè)計(jì)的傳輸腔鎖頻方案示意圖，用于激光冷卻分子實(shí)驗(yàn)[28-29].

(a)傳輸腔鎖頻方案示意

實(shí)驗(yàn)中，通過PZT對(duì)F-P腔進(jìn)行掃描，從而實(shí)現(xiàn)掃描共振頻率. 當(dāng)腔共振頻率和激光頻率匹配時(shí)，得到凹陷的反射峰. 當(dāng)多束激光射入時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多束激光頻率的鑒頻. 可以選定穩(wěn)定的激光頻率作為參考頻率(本研究中為780 nm的激光)，其他待鎖定的激光也同時(shí)射入F-P腔，在F-P腔對(duì)激光頻率的篩選作用下，可以得到F-P腔對(duì)所有入射激光的反射-頻率曲線，激光頻率穩(wěn)定的要求就是反射-頻率曲線的凹陷，即激光的實(shí)際中心頻率處與參考頻率的“間距”不變. 通過編寫軟件來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該“間距”的變化，將變化量作為誤差量反饋至激光器控制端，從而實(shí)現(xiàn)多束激光的穩(wěn)頻. 由于是通過掃描PZT來改變腔長(zhǎng)，因此反饋帶寬很低，一般很難做到超穩(wěn)腔的鎖頻精度. 然而，傳輸腔鎖頻方案可以實(shí)現(xiàn)1 MHz量級(jí)的鎖頻精度，滿足激光冷卻分子的實(shí)驗(yàn)要求.

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著量子技術(shù)的發(fā)展，研究人員可以越來越精確地控制粒子的量子狀態(tài)，因此對(duì)激光頻率的穩(wěn)定性要求也越來越高. 特別是在冷原子和頻率標(biāo)準(zhǔn)為代表的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)激光頻率要求非常高. 隨著新技術(shù)的應(yīng)用，例如用單晶硅來構(gòu)建超穩(wěn)腔，激光頻率鎖定能夠達(dá)到mHz量級(jí). 另外，這些鎖頻技術(shù)已經(jīng)走出了實(shí)驗(yàn)室，并在多個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，例如激光鎖頻技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，用來實(shí)現(xiàn)空間冷原子鐘. 隨著微納光子學(xué)的發(fā)展，設(shè)計(jì)更可靠、更經(jīng)濟(jì)的鎖頻方案將具有廣闊的應(yīng)用前景，并有助于激光鎖頻技術(shù)在更多領(lǐng)域中得到應(yīng)用.