超稳激光小组介绍
一、研究原理
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、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)腔谐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。当激光频率与FP腔不共振时，入射激光绝大部分被反射，只有当载波或者边带频率处于FP腔的某个谐振峰附近时，谐振频率的激光将注入到FP腔，此时反射光包含了因注入FP腔携带的相位信息，耦合进入快速光电探测器（PD），经过解调后获得误差信号，将误差信号反馈给激光器，从而实现将激光器频率锁定到FP腔谐振峰。
图1 (a)PDH锁定方案简图 (b)误差信号示意图
二、研究进程
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，为此搭建10 cm及30 cm超稳腔系统，并取得显著研究进展，目前已投入作为铝离子光钟系统中的钟激光使用；为进一步提高钟激光水平，于2015年启动低温腔系统，目前系统优化中；为完成我国天琴空间引力波探测任务，于2021年启动星载超稳腔系统，目前系统达到天琴计划指标。超稳激光小组阶段性进展示意图如图2所示。
图2 超稳激光小组阶段性进展示意图
三、研究成果
发展的10 cm全ULE腔、30 cm复合腔、低温6 cm蓝宝石腔、星载8 cm复合腔等超稳腔，采用模拟锁定或全数字锁定，已经实现多套超稳激光系统，如图3所示。对超稳激光系统进行误差评估，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谐振腔的热噪声极限，为当前国际上同类型超稳腔最佳锁定水平；锁定在30 cm室温复合腔激光频率稳定度最好可达1.3×10-16，并致力于使其进入10-17量级；在低温环境下，光学超稳腔系统的热噪声极限进一步降低，自主设计并组装6 cm低温全蓝宝石腔，目前已实现的激光频率稳定度最好可达1.9×10-16，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；锁定在8 cm超稳腔的星载稳频系统在6 mHz处频率噪声为3.6 Hz/Hz1/2，已经满足天琴计划10 Hz/Hz1/2的要求。四套稳频系统频率稳定度数据汇总如图4所示。
图3 超稳激光系统。(a) 10 cm全ULE超稳腔系统，(b) 30 cm复合超稳腔系统，(c) 6 cm低温蓝宝石超稳腔系统，(d) 8 cm星载复合超稳腔系统
图4 各套超稳激光系统频率稳定度水平
四、后续研究工作
探究低温超稳腔系统的振动噪声抑制方案，使其可以达到热噪声极限，为铝离子光钟提供更稳定的钟激光；室温超稳腔系统探究更换晶体膜腔镜，从而进一步降低热噪声极限使室温超稳激光系统进入10-17量级；星载超稳腔系统及可搬运系统进行集成，小型化、商业化，发展体积更小重量更轻便的超稳激光系统；并可将超稳激光系统投入基础物理研究等领域。
五、团队成员
超稳激光团队的项目负责人为张洁教授，团队中现有博士后一人，博士研究生四人，硕士研究生一人。欢迎感兴趣的老师、博后、研究生、本科生加入团队。