碘稳频激光小组介绍
碘稳频激光是将激光器的频率锁定到碘分子的超精细跃迁谱线上，得到稳定的光学频率输出。碘分子由于其频率跃迁谱线具有范围广、线宽窄、吸收强等特点，使得它在复现“米”定义和稳频激光等应用中占有重要的作用。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有好几根都是碘分子的超精细跃迁谱线。碘分子频标除了可用于复现米定义，在其它领域也有着广泛的应用。如，碘稳频激光器可以应用到激光干涉式绝对重力仪光源标定、波长计的校准、激光雷达、精密光谱学以及基本物理规律检验。同时，碘稳频激光具有优越的短期和长期频率稳定性以及窄的光谱宽度，使其在空间方面也有广泛应用潜力，如激光测距、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）、检验空间洛伦兹破缺（BOOST 计划）等。
碘稳频激光器的核心组件是一个碘蒸汽室，其中包含了高纯度的碘气体和合适的稳频元件。激光器输出频率进入到碘蒸汽室内与碘分子发生相互作用，由此输出的激光就会携带碘分子的频率信息。当激光器因为外界因素使得它的输出频率与样品共振频率发生偏移，穿过样品的激光器频率信号的幅值和相位会发生变化，然后经信号处理系统后即可转化为误差信号。误差信号通常是一个关于碘分子共振中心频率奇对称的电压信号，当激光器频率与样品的中心频率共振时，它输出为零电压。当激光器频率高于或者低于样品共振频率时，误差信号的电压值会分别为正（负）或负（正）。最后将误差信号传输给伺服系统来对激光器的频率进行主动控制。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的平均时间内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）
课题组在精密重力测量国家重大科技基础设施的支持下，目前已搭建两套碘稳频激光系统，其中频率稳定度最好可达到3.3×10-15@2 s，并致力于进入10-16量级，如图2所示。课题组自2021年开始启动小型化碘稳频激光系统实验，在满足小型化的前提下致力于系统具有足够高的鲁棒性、机械稳定性、热稳定性，搭建各类指标的碘稳频激光器以匹配实际应用对稳定度的要求。
图2. 碘稳频激光系统的频率稳定度及频率噪声图