碘分子调制转移谱与光学腔结合，破解激光稳频局限的“黑科技”

华东师范大学超冷量子气体课题组在《激光与光电子学进展》发表题为“基于碘分子调制转移谱与光学腔结合的583 nm激光稳频实验研究”的封面论文。采用光学参考腔对激光器的压电陶瓷（PZT）和电流调制端进行前级反馈，将碘分子调制转移谱系统进行二级反馈，纠正参考腔存在的长期漂移，使稳频系统兼备窄线宽、短期和长期稳定的特点。

封面解读

       封面形象地展示了利用主动反馈控制来提高激光频率稳定度，使得超冷原子激光冷却与俘获系统中冷却光保持长时间高稳定运转的过程。对角线为两级主动反馈的主要器件单元，从左下到右上，光源经移频和调制后，基于光学腔的激光稳频技术进行一级反馈预锁定，二级反馈则用右上所示的碘分子调制转移光谱技术来完成。最终获得稳定光频的激光输出，用于超冷原子俘获、光频标等应用。

文章链接：徐萍, 张思慧, 宋瑞, 王杰, 武海斌. 基于碘分子调制转移谱与光学腔的583 nm激光稳频实验[J]. 激光与光电子学进展, 2022, 59(23): 2314001

背景

        自激光器诞生以来，人们对激光频率稳定度的需求随着应用场景的拓宽而扩大。采用主动反馈系统来提高激光频率稳定度，在光通信、光频标、精密测量、激光冷却原子等具有重要应用。超冷原子是目前实验科学领域非常活跃的前沿学科，研究超冷原子对于量子信息、量子模拟、精密测量、量子多体物理，以及探索新奇量子物态等研究具有重要的科学意义。

       而超冷铒原子系统中冷却光（583 nm）的频率锁定，对系统的短期稳定性和长期稳定性都有很高的要求。由于铒原子的熔点达1529 °C，常规用于碱金属原子的亚多普勒光谱稳频技术不再适用，而基于高温原子束或空心阴极灯的光谱线宽较宽、信噪比低且易受电磁环境和温度的干扰，同样不适用。

        基于光学腔的Pound-Drever-Hall（PDH）稳频技术可以很好地解决这一问题，但由于腔体材料内部应力、温度起伏等因素，光学腔存在长期漂移。基于此，华东师范大学超冷量子气体课题组发展了基于分子气体调制转移光谱与光学腔相结合的激光稳频技术，解决了光学腔长期漂移的问题，对提高稳频系统长期稳定性具有重要意义。

碘分子调制转移谱以及双系统稳频

       丰富的碘分子光谱主要处于可见和近红外区，超冷铒原子的冷却光波长（583 nm）处于其覆盖区域内。基于四波混频原理的调制转移谱(MTS)可以消除多普勒背景，还具有高分辨率、高灵敏度等优点，以此为频率参考可以保证激光稳频的长期稳定性。图1是实验获得的碘分子R67(15-1)跃迁的超精细分量的调制转移谱，典型谱线线宽为1.6 MHz。

图1 碘分子R67(15-1)跃迁的超精细分量的调制转移谱

       实验装置如图2所示，激光器的基频光（频率为v）经过光纤耦合的位相调制器（EOM1）产生数百MHz（频率为f）的边带，利用PDH稳频技术作为前级反馈将激光边带（v+f）锁定于光学腔，可以压窄激光线宽，并保证激光器的短期稳定度。激光器的倍频光主要用于超冷原子实验，分出小部分光经过移频后进入碘分子调制转移谱（MTS）装置，该装置作为后级反馈调整加载到EOM1上的f，使得当光学腔共振频率发生漂移时，激光器载波频率保持不变。

图2 简化的实验装置示意图，前级反馈由光学参考腔提供，后级反馈由碘分子调制转移谱（MTS）提供

稳频结果

       如图3所示，稳频后经4 h的监测，与仅用PDH稳频时长期漂移205 kHz相比，双系统稳频时最大频率起伏为±12 kHz，满足超冷铒原子实验系统长时间稳定运转的实验需求。

图3 采用PDH与双系统（PDH + MTS）稳频对比

展望

装置拓展了碘分子光谱在583 nm激光稳频的应用，也为其他镧系元素如铕（Eu）、铥（Tm）等的激光冷却频率锁定提供了参考。同时，激光稳频方案也可应用在精密测量、原子分子能级测量等对激光器频率稳定性要求高的场景。

作者简介

王杰，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室副研究员，从事超冷偶极量子气体和量子精密测量研究。主持国家自然科学基金青年基金1项，日本JSPS研究项目1项，曾获山西省第十八届优秀学术论文三等奖1项，参与国家自然科学基金委重点项目、科技部重点专项等项目。相关研究成果发表于Physical Review Letters，Physical Review A，Optics Letters等SCI检索文章十余篇，授权国家发明专利3项。

编辑 | 李雅新

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/th5w4eNbMdC0zVWMd7rhbQ