关于超窄线宽激光稳定技术的探讨

概述

超窄线宽激光稳定技术在各种科学和技术应用中发挥着重要作用，从高精度光谱学到先进的干涉测量学，不一而足。本文将讨论超窄线宽激光稳定技术及其应用。

激光线宽的重要性
 

线宽一词可描述为激光光源发射光的光谱宽度或其光学频率分布的测量值。线宽较窄的激光器发出的光具有高度一致和稳定的光学频率，因此非常适合高精度应用。线宽与激光的相干长度成反比，线宽越窄，意味着相干长度越长，从而确保激光在更远的距离上保持相位一致。

影响激光器线宽的因素
 

激光增益介质会影响激光器的线宽，因为不同的增益介质会表现出不同的光谱展宽水平，因此选择增益介质对于设计超窄线宽激光器至关重要。同样，激光腔体的设计也对线宽起决定作用，因此采用单模工作和腔稳定等技术，通过抑制不必要的纵向模来缩小线宽。

影响激光器线宽的另一个因素是多普勒展宽，即气体或固体介质中原子或分子的运动会展宽发射光的频率。为了减少多普勒展宽并获得超窄线宽，通常会采用冷却技术（如使用低温环境）。

ALPHALAS GmbH公司的1064nm高功率单频纳秒脉冲固体激光器

稳定技术
 

外腔半导体激光器

外腔半导体激光器（ECDL）提供了一个灵活的平台，通过利用外腔实现单模运行和更高的相干长度，从而获得超窄线宽。各种反馈机制，包括光栅反馈和声光调制器，都可用于稳定激光频率和降低线宽。

例如，2018 年的一项研究提出了一种新颖的 ECDL 配置，使用商业的宽带宽（约 4 nm）干涉滤波器作为波长鉴频器，实现了 95 kHz 的窄洛伦兹拟合线宽、2.9 MHz 的光谱纯度以及 5.59×10^-12 的显著长期频率稳定性。该设计不仅克服了与窄带宽滤波器相关的成本限制，还显示出良好的性能，表明激光稳定技术有可能取得突破。

​​​​​​​

Sacher Lasertechnik公司的Micron Laser单频ECDL系列激光二极管

Moglabs公司的可调谐Cateye系列窄线宽激光器（CEL）

TOPTICA Photonics公司的DL pro系列窄线宽激光器

光学频率梳
 

光学频率梳提供一组等距的频率基准。研究人员可以通过将激光稳定到梳状器上实现超窄线宽和高频精度。例如，在 2019 年的一项研究中，研究人员开发了一种多通道光学频率合成器，可直接从掺铒光纤振荡器的光学梳状器产生稳定的连续波激光。该合成器稳定在一个高精细度空腔中，在 0.1s 内实现了 3.8 × 10^-15 的分数频率稳定度。该系统在 1s 内产生多个具有 1.0 Hz 超窄线宽的光学频率，每个通道可提供数十毫瓦的输出功率。其关键机制是通过注入锁定实现基于二极管的受激发射，从而在不影响稳定性的情况下放大梳状频率模式。该合成器可在围绕 1550 nm 中心波长的 4.25 THz 宽频带内，以 0.1 GHz 的增量单独选择通道频率。

Pound-Drever-Hall (PDH)技术
 

PDH技术是一种主动稳定技术，它将调制边带引入激光光束，并对法布里-珀罗腔的反射光进行分析。根据检测到的误差信号调整激光频率，就能主动稳定线宽。例如，在 2006 年的一项研究中，研究人员为红外光纤激光器设计并实施了一种频率锁定系统，显著降低了线宽。该系统利用高精细法布里-珀罗腔作为频率基准，并采用电子反馈回路来保持稳定的光功率。输入激光器的初始线宽较窄，为 1-2 kHz，使用 PDH 技术对其进行了频率稳定处理。这项研究强调了红外波长选择的重要性，它能使输入激光更加稳定，从而提高稳定性。此外，该系统还包括偏振控制和频率调制组件，以进一步提高稳定性。

TOPTICA Photonics公司的PDH模组

应用
 

窄线宽在相干光通信、精确测量、原子物理和原子钟等各种激光应用中至关重要。例如，超窄线宽激光器使研究人员能够实现高分辨率原子和分子光谱，分辨出精细的光谱特征，从而了解分子结构和相互作用的基本过程和复杂细节。

超窄线宽激光器有助于提高量子信息处理实验装置的稳定性，从而确保对量子系统的精确控制。同样，超窄线宽激光器还能提高某些激光干涉仪的灵敏度，这些干涉仪需要超稳定激光器来探测微小的距离变化。

OEwaves公司的HI-Q®  超窄线宽激光器系列

结论
 

总之，超窄线宽激光稳定技术对于高精度光谱学、量子信息处理等各种应用至关重要。激光增益介质和腔体设计等因素会影响激光器的线宽。外腔半导体激光器、光学频率梳和 PDH 技术等技术被用于超窄线宽激光器稳定，为相干通信、精确测量和量子控制做出了重大贡献。

参考文献：

【1】Cooper, B. S.等人，《Positronium production in cryogenic environments》，《Physical Review》（2016）。

【2】Xinqian Guo等人，《Ultra-narrow linewidth laser system based on intra-cavity electro-optic crystal frequency stabilization of external-cavity diode laser》，《Optics Communications》（2023）。

【3】沈辉等人，《Lasers with ultra-narrow linewidth——Theories and applications of laser frequency stabilization》，《PHYSICS》（2016）。
 

【4】Heesuk Jang等人，《Comb-rooted multi-channel synthesis of ultra-narrow optical frequencies of few Hz linewidth》，《Scientific reports》（2019）。
 

【5】Lally, Evan M.，《A Narrow-Linewidth Laser at 1550 nm Using the Pound-Drever-Hall Stabilization Technique》(弗吉尼亚理工大学博士论文）（2006）。

【6】潘冠中等人，《Broad bandwidth interference filter-stabilized external cavity diode laser with narrow linewidth below 100 kHz》，《Chinese Physics》（2018）。