基于晶体光谱烧孔效应的超稳激光稳频方法研究

At present, the local oscillators of optical frequency standards, either based on trapped ions, or based on lattice confined neutral atoms, are ultra stable lasers locked on high finesse Fabry-Perot cavities. The stability of these lasers is limited by the thermal noise comes from the Brownian motion of the materials which makes the cavity spacer, mirror substrates and the mirror coatings. The thermal noise of the state of the art cavities are mostly set by the thermal noise from the coatings which is difficult to find a replacement. Laser frequency stabilization based on cryogenic crystal spectral hole burning takes use of the absorption of doped ions in the crystal. The frequency of the burned spectral hole can be derived from its Hamitonian, and is insensitive to the temperature, the pressure and the acceleration, and thus has a lower thermal noise limit that is almost an order of magnitude lower than the best reference cavity to E-17 level. The linewidth of the spectral hole is about a couple of hundred Hertz to several kilo-Hertz at liquid helium temperature. When lock to the spectral holes, the stability of the lasers has a potential to be better than the cavity thermal noise limited stability of present. This will support the optical frequency standards to reach the projected E-18 accuracy with a very important key technique.

目前，基于囚禁离子或光晶格囚禁中性原子的光频标的本地振荡器都是基于FP参考腔的超稳激光系统，这种激光系统把激光器的频率参考到腔长这个宏观物理量上，稳定度和线宽已经达到了参考腔的热噪声极限。这种噪声来源于参考腔腔体、腔镜基底和腔镜镀膜材料布朗运动的热噪声，目前主要由腔镜镀膜材料的热噪声决定，限制了光频标精度的进一步提高。基于晶体烧孔效应的激光稳频方法是以晶体中掺杂离子的光谱吸收特性为基础的，烧孔的频率主要决定于掺杂离子的哈密顿量，对温度、压力和加速度的变化不敏感，因此有着更低的热噪声极限，可以达到E-17量级，比目前最好的超稳腔还低近一个量级。晶体烧孔的宽度在液氦温度下只有几百Hz到几kHz量级，把激光频率锁定到这样的烧孔上，有可能突破目前限制光频标稳定度的热噪声极限，有力支持光频标的研究，为光频标不确定度达到E-18的目标提供单元技术上的新理论和新技术。

超稳激光器是光频标的本地振荡器，目前都是基于超稳FP参考腔的，其中部分激光器的稳定度已经达到了参考腔的热噪声极限。基于晶体烧孔效应的激光稳频方法是以晶体中掺杂离子的光谱吸收特性为基础的，烧孔的频率主要决定于掺杂离子的哈密顿量，对温度、压力和加速度的变化更不敏感，有望突破目前限制光频标稳定度的热噪声极限，进一步提高光频标的指标。.我们在瞬态晶体光谱烧孔和永久晶体光谱烧孔两种类型的晶体上分别进行了实验研究，实现了激光频率的锁定：.1．实现了瞬态光谱烧孔Tm3+离子掺杂YAG晶体的制备。本项目完成了Tm3+离子掺杂YAG晶体（Tm3+：Y3Al5O12）的设计、生长和加工，用于实现793nm的烧孔稳频探索研究。采用熔体提拉法和熔盐法生长所需的烧孔稳频晶体。采取多种后处理技术，获得了掺杂均匀，透明性高的晶体。.2、实现了基于晶体瞬态光谱烧孔的激光频率锁定。瞬态光谱烧孔的Tm3+:YAG晶体实验我们采用液氦连续流减压降温冷却方法和静真空杜瓦真空保持方案，把晶体的温度冷却到4K附近。Tm3+:YAG晶体中的光谱烧孔是瞬态光谱烧孔，烧孔寿命在4.2 K的温度下约10 ms。通过实验发现，Tm3+:YAG晶体中的瞬态光谱烧孔可以实现不用预稳直接锁定，激光器的噪声被大幅度压缩了50 dB，在近旁频的位置达到了系统的电噪声本底。提出了一种新的抑制RAM的方法，采用波导结构的宽带EOM，通过多个频率合成，增加系统调节的自由度，来实现对RAM的抑制。.3、实现了基于晶体内永久光谱烧孔的激光频率锁定。永久光谱烧孔晶体采用了1.0%掺杂的Eu3+:YSO晶体，采用低温制冷机的方式实现低温环境，烧孔宽度最低可以达到小于5 kHz，烧孔寿命几百秒。建立了基于FP腔的激光预稳系统，参考腔的精细度4800，采用了主动隔振平台对振动噪声进行了隔离。烧孔光功率密度约为8μW/cm2，烧孔时间为600ms，得到的烧孔线宽约为5.2 kHz。晶体烧孔的频率锁定采用了AOM方波调制的方法，通过数字PID调整声光调制器的频率来实现锁定。对同一块晶体中频率间隔100kHz的两个烧孔进行了分别锁定，频差的秒级稳定度约为2E-14。