激光稳定技术：从原理到工业级方案（面向 AMO/量子光学读者）

适用对象：冷原子/离子阱/原子钟/频梳/干涉计/精密通信等方向的工程与科研人员

相关领域

• 冷原子、离子阱、原子钟、量子计算与量子传感
• 大型干涉计与引力波相关实验（功率/频率双稳）
• 超快激光与光频梳（f-2f 自参照、f_r 与 f_ceo 双自由度稳定）
• 相干光通信、精密光谱与计量校准

核心术语

术语	说明
RIN（相对强度噪声）	Relative Intensity Noise，单位 dBc/Hz（或 1/Hz）
频率噪声谱密度	Sν(f)，单位 Hz²/Hz；与相位噪声/线宽互换计算
相位噪声	单边带 L(f)，单位 dBc/Hz
线宽	需标注测量法与时间常数；白频噪下可用 β-line 近似估算
Allan 偏差	σy(τ)，频率稳定度统计指标
RAM	Residual Amplitude Modulation，残余幅度调制（PDH 常见误差源）
FSR / Finesse / Q	腔自由光谱范围 / 精细度 / 品质因子

激光稳定的总体架构与方法（主动稳定）

• 稳频（锁腔）PDH：EOM 相位调制 → 反射端同步解调 → 误差信号驱动 快（电流/EOM）+ 慢（PZT/温控）执行器；关注 RAM 抑制、耦合效率与相位裕度。
• 稳幅（Intensity Servo）：PD 取样 → AOM/泵浦电流闭环；注意 PD 线性区、AOM AM-PM 交叉与热漂。
• CEO/CEP 锁定：f-2f 自参照提取 f_ceo，与 f_r 构成双自由度；常用快/慢双执行器与前馈。
• 倾斜锁 / Hänsch–Couillaud：基于空间模/偏振误差信号的腔长锁定，结构简洁，适合腔辅助场景。
• 光纤延迟线稳频：利用长延迟“时间参考”抑制超低频噪声（特定频段有效）。

被动与半被动机制

• 注入锁定：主从激光相干俘获，降低相位/频率噪声；对温度与失谐敏感。
• 光学弹簧：腔内辐射压-机械耦合形成等效刚度与阻尼，低频段抑制功率/位移噪声。
• 噪声频谱搬移（SHG 等）：将低频噪声搬移至高频带后再压制；需评估新增相位耦合通道。
• 高 Q 参考：超稳参考腔（< 1 Hz 级斜率点）与超高 Q 微环（片上化）。

工程化要点

对象	误差信号	执行器	典型带宽	要点
功率（RIN）	PD 直检	AOM/泵浦电流	100 kHz–1 MHz	PD 线性、AOM 线性化、热漂与 AM-PM 交叉
频率/腔长	PDH/HC/倾斜锁	电流/EOM（快）+ PZT/温控（慢）	快环 100 kHz–MHz；慢环 Hz–kHz	RAM 抑制、耦合效率、相位裕度
CEO/CEP	f-2f 拍频	电流/EOM（快）+ PZT/温控（慢）	10 kHz–100 kHz+	拍频 SNR、群时延补偿、PLL 稳定

指标与测试

指标	符号/单位	典型目标	测试方法
相对强度噪声	RIN（dBc/Hz）	≤ −160~−170（目标频带）	PD + 跨阻 → 频谱仪/DAQ；注明带宽与校准
频率噪声谱密度	Sν(f)（Hz²/Hz）	亚 Hz²/Hz（系统相关）	与参考拍频；拟合模型估算线宽
线宽	FWHM（Hz）	Hz 级（窄线宽系统）	β-line / 延迟自外差 / 异频拍测
Allan 偏差	σy(τ)	~10−15@1 s（量级示例）	频标对比/计时链路
闭环稳定性	相位裕度	≥ 45°（工程常用）	扫频注入/Bode 传函

原理与系统示意

常见误区

• 忽视 RAM 与偏振管理，导致 PDH 基线漂移与假误差。
• PD 饱和或跨阻带宽失配，RIN 与频率噪声读出失真。
• 慢/快环“争环”，带宽/增益分配不当引发自激。
• RF/数字地未分区，AM-PM 串扰与 EMI 进入误差通道。
• 机械/热设计薄弱，腔/光路热漂与应力致不稳定。

快速落地清单

• 先测后控：先测 RIN/频噪，找到主导噪声与敏感频段。
• 双执行器：慢（PZT/温控）+ 快（电流/EOM），频带分工明确。
• PDH/倾斜锁打底：配自动偏置/RAM 抑制策略。
• Bode 验证：相位裕度 ≥ 45°，群时延与陷波合理布置。
• 可观测性：误差/控制量/拍频谱全链路可抓取与记录。
• 标准验收：RIN、S_ν(f)、线宽、Allan、传函、再上锁时间。