本文来源于《中国激光》“先进激光技术与应用”专题。

姚波, 陈群峰, 陈雨君, 吴斌, 张骥, 刘昊炜, 魏珊珊, 毛庆和. 基于超稳腔PDH稳频的280 mHz线宽DBR光纤激光器[J]. 中国激光，2021, 48(5): 0501014

总编评论：

频率超稳的超窄线宽激光光源在精密测量领域具有广泛应用，超稳腔PDH（Pound-Drever-Hall）稳频技术是获取这类超稳激光最重要的方案之一。本文报道了一种亚赫兹线宽超稳分布Bragg反射（DBR）单纵模光纤激光器的制作和性能测试情况。作者在自研的短腔DBR光纤激光器中进行了结构参数优化，并对其进行了绝热封装和精密温度控制等，后经超稳腔PDH稳频后实现了亚赫兹线宽的超稳激光输出。

目前，已报道的基于超稳腔PDH稳频技术的分布反馈（DFB）单纵模光纤激光器输出线宽已达毫赫兹量级，其所用光纤激光器均为国外产品。尽管国内已有多家科研机构发展出了具备频率调谐机制的单纵模光纤激光器，但均未用来构建超稳激光光源，因此有必要考察这类自主研制单纵模光纤激光器的超稳腔PDH稳频效果。

图1研制的DBR单纵模光纤激光器。(a)结构示意图；(b)集成样机照片

中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所毛庆和研究员课题组研制了可用于超稳腔PDH稳频技术获取超稳激光输出的自由运转分布Bragg反射（DBR）单纵模光纤激光器。图1(a)为DBR单纵模光纤激光器结构示意图，(b)为集成样机照片。通过优化激光器腔结构参数，辅以绝热封装和精密温控等措施，并在腔内设置可快速宽范围调谐激光频率的压电陶瓷（PZT），实现了输出功率45 mW，线宽1.2 kHz，PZT频率调谐范围和调谐带宽分别大于3.2 GHz和10 kHz的稳定单纵模激光输出。

图2 DBR光纤激光器超稳腔PDH稳频实验装置示意图

研究人员采用腔长10 cm、精细度360000的超稳光腔，演示了DBR单纵模光纤激光器的PDH稳频实验。图2为稳频实验装置示意图。待稳光纤激光由电光调制器（EOM）产生调制边带，经准直以及偏振调节后，耦合进入光腔。光腔反回的激光由光电探测器（PD）探测，再与EOM驱动信号混频后获取稳频所需误差信号。误差信号由伺服控制系统（Servo）处理后，低频成分反馈控制激光器内置PZT的电压，实现对激光频率低频段波动的补偿；高频成分则反馈至声光调制器（AOM）驱动控制器，实现对激光频率高频段（PZT调谐带宽以上）波动的补偿。

图3 稳频激光频率不稳定度的修正的艾伦方差

图4 稳频激光的拍频线宽

为评估光腔PDH稳频技术对光纤激光器频率锁定的效果，研究人员通过两台稳频后的激光器进行拍频，测量获得稳频光纤激光器的性能参数。经测试，超稳腔PDH稳频后的DBR光纤激光器频率漂移小于±10 Hz，1 s和100 s的频率不稳定度分别达6×10−16和8×10−15（如图3所示），频率噪声降低至8×10-3Hz2/Hz@1-10Hz，激光线宽窄至280 mHz（如图4所示）。

各项指标表明该单纵模光纤激光器已能用于构建亚赫兹线宽超稳激光光源，这对推动我国自主超稳光纤激光器核心技术与器件的发展具有重要意义。