碘稳频激光小组介绍

碘稳频激光技术通过将激光频率锁定在碘分子的超精细跃迁线上，实现了光学频率的高稳定性。碘分子的频率跃迁谱线具有宽广的覆盖范围、极窄的线宽以及强的吸收特性，这使其在精密测量领域具有不可替代的优势。在国际米定义咨询委员会（CCL）推荐的原子、分子频率参考谱线中，碘分子的多条超精细跃迁谱线占据了重要位置。碘分子频标不仅在复现米定义方面发挥着重要作用，还在精密光谱学研究、基本物理量检验等其他领域展现出其独特的价值。此外，碘稳频激光器的优越频率稳定性和窄光谱宽度，使其在空间科学领域也具有巨大的应用潜力。例如，在激光干涉式绝对重力仪中，它能够提供精确的重力测量；在激光测距、引力波探测、全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System）、下一代重力卫星（Next Generation Gravity Mission）以及检验空间洛伦兹破缺（BOOST）等应用中，碘稳频激光技术都扮演着至关重要的角色。

碘稳频激光器的核心组件是一个含有高纯度碘气体的碘蒸汽室，以及相应的稳频元件。激光器的输出频率与碘分子相互作用，通过信号处理系统转化为误差信号。当激光频率与碘分子共振频率匹配时，误差信号输出为零电压；偏离共振频率时，误差信号则产生相应的正负电压，由伺服系统据此调整激光频率。调制转移光谱技术是一种高灵敏度的激光外差光谱技术，通过对泵浦光进行相位调制，与探测光在碘蒸汽室内发生非线性四波混频效应，实现边带的转移，实验光路图如图1所示。通过调制转移光谱技术可以实现激光频率锁定到碘分子的跃迁上，实现在1 s-10000 s的积分时间内10^-15量级的超稳光。

图1. 碘稳频系统装置图（左）和碘稳频单元（右）

在精密重力测量国家重大科技基础设施的支持下，课题组已成功搭建了两套碘稳频激光系统，其中频率稳定度最佳可达3.3×10^-15@2 s，万秒稳定度可达1.7×10^-15，并正朝着10^-16量级的稳定度迈进。自2021年起，课题组启动了小型化碘稳频激光系统的实验，旨在实现小型化的同时保持系统的高鲁棒性、机械稳定性和热稳定性，以满足不同应用场景对稳定度的特定要求。

图2. 碘稳频激光系统的频率稳定度及频率噪声图