R2 超稳激光

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超稳激光小组介绍

超稳激光是将自由运转激光器的线宽进一步压窄,以获得极高频率稳定性的激光输出,从而应用到光钟系统、引力波探测和基本物理检验等领域。超稳激光由可调谐激光器、参考超稳腔和反馈环路等部分组成,如图1所示。以Fabry-Perot(FP)腔共振峰作为激光参考具有非常多的锁定点,并且对波长几乎没有限制,是一种结构简单、高效且便利的激光稳频方案。激光锁定方案采用Pound-Drever-Hall (PDH)锁定方案,激光入射进腔前利用电光调制器(EOM)调制产生两个相位相反的一阶边带。调制后的激光耦合到FP腔后,调谐激光频率可以使得载波频率处于FP腔的某个透射峰附近,此时反射光包括两个全反射的一阶边带和被FP腔调制的载波。反射光耦合进入快速光电探测器(PD),经过解调反馈给激光器,从而实现将激光器频率锁定到FP腔透射峰。

图1:PDH锁定方案简图

华中科技大学引力中心自2011年启动超稳激光项目以来,超稳激光小组自主设计搭建基于光学谐振腔的超稳激光系统,研制铝离子钟激光所需的波长为1070 nm的超稳激光,并取得显著研究进展,目前已投入作为铝离子光钟系统的本地振荡器使用。超稳激光进展年表如图2所示。利用10 cm 全ULE腔、30 cm复合腔和低温蓝宝石腔等超稳腔,采用模拟锁定或全数字锁定,实现多套超稳激光系统,如图3a所示。在室温系统下初步完成各项系统误差评估,设计并完成多项噪声优化实验。目前锁定在10 cm全ULE腔上的激光频率稳定度可达超稳腔的高阶模的热噪声极限,为当前国际上同类型超稳腔最佳锁定水平,其频率稳定度的艾伦偏差达到5×10-16,如图3b所示。锁定在室温下激光频率稳定度最高可达2×10-16,并致力于使其进入10-17量级。

图2:超稳激光小组阶段性进展示意图

在低温环境下,光学超稳腔系统的热噪声极限进一步降低,本小组自2015年启动低温超稳激光项目后,自主设计并组装了6 cm全蓝宝石超稳腔和蓝宝石为腔镜单晶硅为腔体的复合超稳腔,两套超稳腔的精细度均保持在56万以上。目前已实现低温超稳激光系统的闭环锁定并致力于进一步降低系统的振动、温度等各项噪声对频率稳定度的影响,如图3c所示。

图3 a,两套超稳激光系统实物照片;b, 在10 cm全ULE腔上实现热噪声极限的激光锁定;c, 低温系统实物照片。