亚赫兹线宽激光系统的研制

超窄线宽激光器是冷原子精密光谱和光钟研究必不可少的关键器件，它的线宽和频率稳定度直接影响了光谱分辨本领和光钟精度。本项目拟从两个方面进行研究，并建立亚赫兹线宽激光系统：1）课题组已利用7.75cm长的光学FP参考腔实现了1Hz线宽激光，在此基础上，通过测量分析高精细度光学FP参考腔的热膨胀特性与振动敏感度，结合有限元分析模拟计算，改进精密温控系统和腔体的支撑结构，实现光学FP参考腔对温度和振动扰动不敏感，并优化激光精密锁相控制系统，实现亚赫兹量级的激光线宽和达到热噪声极限的频率稳定度；2）分析研究光学FP参考腔的热噪声特性及其对激光频率稳定度的影响，探索减小光学FP腔热噪声极限的有效方法，设计并加工热噪声影响小的、高稳定度的FP参考腔，为研制更窄线宽激光器做准备。本项目的研究成果将为光钟、空间干涉仪、光频标准长距离传输、低噪声微波信号产生等重大物理问题研究和技术发展提供必要的光源与技术。

针对亚赫兹线宽超稳激光在精密光谱、精密测量和光钟研究中的重要应用，本项目以腔长为7.75 cm长的光学谐振腔为参考腔建立亚赫兹线宽激光。通过数值模拟分析和实验测量两种途径研究了光学参考腔的振动敏感度特性和温度敏感度特性，使参考腔处于振动最不敏感的支撑方式和最佳的温度环境；同时改进了两个参考腔系统的温度控制系统，使温度起伏在亚毫开范围；通过研究入射光功率起伏、剩余幅度调制、电子噪声、气流等对激光频率的影响，并将这些因素的影响控制到最小。经两台独立激光系统严格拍频测试，得到每台激光的最可几线宽为0.6 Hz，激光的频率不稳定度为1e-15（1秒积分时间），达到参考腔的热噪声极限，该结果是国际上采用同样长度FP参考腔的最好结果之一。目前，该激光能连续不间断运行超过1个月以上，为正在开展的窄线宽光梳、光学频率合成与精密传递等研究提供了必要的参考源，已用本项目的研究成果实现了赫兹线宽的窄线宽光梳。相关成果发表在Appl. Phys. Lett.和J. Opt. Soc. Am. B上。同时，研究了降低参考腔热噪声的方法，制作了热噪声极限为1e-16的光学参考腔，为研制线宽更窄、频率稳定度更高的激光系统做准备。