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超稳激光：解锁稳频新技术，迈向性能新高度

光电汇OESHOW

2025-12-08

《稳频激光器：前沿科研与高精尖工业应用的“标尺”》一文详细解读了稳频激光器“频率长稳优、频率噪声低、线宽窄“的核心优势稳频解决方案包含原子/分子，超稳激光和光梳等丰富多元方式。本文重点介绍超稳激光方案。以法布里-珀罗光学谐振腔(以下简称FP腔)为频率参考的超稳激光方案，因其在性能极致性、结构灵活性与应用适配广泛性上拥有独特优势，正逐渐成为高端精密测量领域的主流选择。

FP腔的角色转变历史：从干涉元件到稳频基准

1899年，法布里（Charles Fabry）和珀罗（Alfred Perot）针对“双平行反射镜面构成的谐振腔（即FP腔）”，系统性提出多光束干涉核心原理——仅当入射光满足FP腔的谐振条件时，才能实现高效的腔透射。值得注意的是，此时激光尚未问世，但这一理论突破精准锚定了“频率筛选”的核心潜力，为后续激光频率的精密调控埋下了关键伏笔。20世纪中期半导体激光器的问世，成为FP腔应用推广的一个关键转折点：FP腔被直接集成在激光器谐振腔内，借助其多光束干涉的频率筛选特性，可将激光线宽从早期的MHz量级压窄至kHz量级。这不仅拓展了FP腔的应用边界，也为后续超稳激光技术的发展奠定了硬件基础。

然而，FP腔与激光技术深度结合并真正开启超稳激光时代，实则始于20世纪80年代前后。这一跨越与引力波探测LIGO项目（注：2017年诺贝尔物理学奖获奖成果）的技术需求密不可分——高精度激光干涉探测对激光稳定性有着极致要求，由此直接推动了FP腔从“干涉滤光元件”到“稳频基准器件” 的根本性功能转变。

PDH技术：

数十年以来定义FP腔稳频的主流方案

实际上，传统基于FP腔透射特性的激光稳频，受限于被动滤波的本质，其效果并不如人意。是否可以利用FP腔反射特性进行稳频呢？

一座关键的里程碑由Drever（注：引力波LIGO项目联合创始人）、Hall（注：2005年诺贝尔物理学奖得主，表彰其在精密光谱学方面的突破性贡献）等人于1983年共同铸就：他们将Pound的微波腔技术思路拓展至光频领域，创造性地提出了FP腔的“Pound-Drever-Hall”（以三人名字命名，简称PDH）锁定技术。

该技术的核心创新在于：通过对激光进行相位调制，实时探测激光频率与FP腔反射口谐振频率的偏差，并反馈调节激光源。更关键的是，基于激光的频率抖动时间尺度与腔响应时间的相对关系，PDH锁定可在频率鉴别和相位鉴别两种工作模式间自动切换：当激光抖动时间大于腔响应时间时，以频率鉴别模式抑制激光的慢速漂移；当抖动时间小于腔响应时间时，以相位鉴别模式快速补偿激光的高频相位噪声。两种模式协同工作，使环路伺服带宽不再受限于腔响应时间，从根本上解除了超高Q值FP腔作为频率基准的枷锁，可显著压窄激光器线宽，有效改善激光频率稳定度。PDH技术凭借其卓越的稳频性能，至今仍是功能最强大、应用最广泛的主动激光稳频技术之一。

图1. 基于 PDH 技术的 FP 腔激光锁定原理框图

腔稳激光器：技术演进与应用拓展

腔稳激光的频率噪声由FP腔本身噪声、伺服环路附加噪声和光电噪声共同决定。通常情况下，若PDH锁定的伺服带宽足够宽、增益足够大，激光器自身的固有低频噪声可被有效抑制至可忽略水平，此时FP腔的腔长相对稳定性成为性能主导。早期腔稳激光受外部振动、温度波动等机械噪声影响显著，即便采用微晶玻璃等低膨胀材料，仍存在明显频率漂移。

为突破局限，研究人员针对性地推出一系列优化方案：提升FP腔Q值（或精细度F）、采用超低膨胀材料制作腔体、搭配被动与主动温控系统抑制热形变、置于超高真空环境中抑制折射率变化、优化支撑与隔振设计削弱振动耦合等。通过这些措施，超稳激光的频率稳定度已提升至10^-15甚至10^-16水平。

如今，FP腔超稳激光技术日臻成熟，核心突破聚焦于三大方向：稳定度极致提升、可搬运和微型化集成、环境适应性强化。例如在稳定度极致提升方面，采用单晶硅腔体、新型高反膜腔镜，并结合极低温度环境抑制热噪声等措施，可将激光频率稳定度提升至10^-17量级，线宽可至惊人的mHz量级！

技术成熟推动其应用领域不断扩展，典型场景包括：干涉引力波探测（如地面的LIGO升级项目，太空的LISA、天琴和太极项目）、原子物理学中量子态光谱探测、光学频率标准建立，以及量子计算中的精密操控等前沿领域。

频准激光超稳激光的突破：

关注频准激光的用户和业内同仁或许了解，频准激光在2023年已实现超稳激光产品的技术落地与市场供应，迈出国内技术产业化的关键一步。

当前，频准激光正加速打破 “实验室样机” 到 “产业化产品” 转化的行业壁垒，持续推动超稳激光从科研专属领域向工业级、商用级场景深度延伸与规模化应用，显著加快了国内这一高精尖细分领域的市场化进程。借助产业化进程的持续深化，结构优化设计、低噪声控制、自主稳频锁定等核心技术被深度集成于超稳激光系统，使产品既牢牢占据高稳定性、极窄线宽等超高性能优势，更实现了操作便捷化、适配灵活化、维护简化的易用性升级，为下游用户提供兼具技术高度与实用价值的核心激光解决方案。

图2. 频准超稳激光实现的基础方案框图

频准激光的超稳激光实现的基础方案如图2所示。其中，FP腔置于精心设计的真空腔内（图中未标出），真空度保持在10^-6Pa量级，配备多层主动温控和被动隔热，整体集成在隔音箱内；FP腔腔体自由度被限制并采用振动免疫式法固定，而PDH光路采用笼式结构固定在真空腔体上，从而整套超稳激光系统可执行可搬运式的操作。通常，频准激光提供三类低噪声激光种子源——光纤DFB激光种子、固定外腔半导体激光种子和宽调谐猫眼激光种子，以光纤DFB激光种子为例，仅靠PZT单独反馈并不能有效压窄线宽，因而需插入一声光调制器（AOM）用于快速反馈。频准激光提供的超稳激光系统有着以下独特优势：

关键且健全的全链条支持

频准激光深耕超稳激光上游核心产业链，产品线实现从“关键部件到整体系统”的全链条覆盖与自主控制，核心光电器件涵盖低噪声激光种子源、低噪声激光放大器、激光非线性频率变换、全光纤器件、低噪声控制电路等。在此基础上研制的超稳激光系统产品集成度更高，可靠性更强。

多场景适配的超稳激光系统

针对科研与工业领域的差异化需求，频准激光构建了丰富的超稳激光系统产品线，覆盖不同性能指标、波段和应用场景，满足从基础研究到高端制造的多元化需求。目前FP腔有2 cm、5 cm、12.5 cm三类长度，覆盖波长400-2000 nm，所集成的超稳激光系统可立式安装、柜式或桌面安装（标准19寸机柜兼容），如图3-5所示。

图3. 双轴立式超稳激光系统

图4. 单轴柜式或桌面式6U 19’’超稳激光系统

图5. 单轴柜式或桌面式3U 19’’超稳激光系统

表1. 频准三款超稳激光系统的参数对比

定制化系统集成与场景适配

针对科研与工业领域的差异化需求，频准激光提供丰富的超稳激光配置选件，包括：主动隔振、EOM边带移频锁定、集成式光纤噪声抑制器等。除了成套的超稳激光系统外，超稳激光器系统各部件也可单独提供，例如超级反射镜、低膨胀腔体、超稳腔、真空系统、电控系统（含PDH电路、离子泵控制器等），用户可以根据自己需求进行任意配置。当然，频准激光也提供包含超稳激光系统在内的更复杂的定制化激光系统，包括光纤放大、非线性变换和多路分光系统。

专业交付与落地调试闭环

频准激光配备一支具备丰富超稳激光系统实操经验的技术团队，提供“从设备到货到稳定运行” 的全流程交付服务，缩短用户部署周期，保障系统快速落地。每一台超稳激光的指标都做到拍频实测，国内承诺上门安装与调试，现场提供专项培训，涵盖系统操作流程、日常维护要点、基础故障排查方法。同时，交付完整技术文档，确保用户具备独立运维能力。

长期运维与技术升级保障

同公司主营的激光器产品一样，频准激光也建立了超稳激光系统的全生命周期售后支持体系。不仅提供常规运维服务，更注重用户长期运维的能力，确保用户设备持续发挥效能。同时，依托频准强大的研发实力，也为用户提供了长期技术升级支持。

频准超稳激光的卓越性能

一键锁定、脱锁自锁定与抗震测试