突破热噪声限制的高相干双色激光器及其在低噪声微波生成中的应用

研究人员通过Pound-Drever-Hall（PDH）技术将双色激光同步至超稳光学参考腔，突破热噪声限制，实现了频率间隔达0.5 THz的高相干双色激光，其相对频率不稳定性低至2.7×10-17（1秒）。通过电光频率分频技术，将稳定性转移至25 GHz微波信号，相位噪声达-74 dBc Hz-1（1 Hz）。该研究为精密测量、光频梳光谱学及原子钟等领域提供了革新性工具。

　　

在精密测量和量子技术领域，高相干激光器的开发一直是科学家们追求的目标。然而，传统双色激光器在频率间隔较大时，往往面临相干性下降的难题。这一限制严重影响了其在引力波探测、双梳光谱学和原子钟等关键应用中的性能。更令人头疼的是，现有调制器技术还限制了可实现的频率间隔范围。面对这些挑战，研究人员迫切需要开发一种既能实现大频率间隔又能保持高相干性的双色激光系统。

为了解决这一难题，北京大学的研究团队开展了一项创新性研究。他们巧妙地将Pound-Drever-Hall（PDH，一种激光稳频技术）技术应用于双色激光系统，通过将两个独立激光器同步锁定到同一个超稳光学参考腔，成功突破了热噪声的限制。这项重要研究成果发表在《Nature Communications》上，为相关领域带来了突破性进展。

研究团队主要采用了三项关键技术：首先利用PDH技术将两个二极管激光器锁定到同一个法布里-珀罗（F-P）腔的相邻模式上；其次通过优化相位调制器设计（如采用低残余振幅调制器件）和消除寄生干涉，显著降低了系统电子噪声；最后创新性地采用电光（EO）频率梳分频系统，将双色激光的相对稳定性转移到微波信号进行表征。

在"高相干双色激光原理"部分，研究团队通过理论分析表明，当两个激光器共享同一参考腔时，其相对相位噪声主要受限于PDH锁定系统的电子噪声，而非腔体的热力学长度噪声。公式推导显示，双色激光的相对相位噪声功率谱密度S_φ^ν2-ν1(f)可分解为差分热噪声和电子噪声两部分，其中差分热噪声贡献随频率间隔增大而增强，但在特定范围内仍低于电子噪声。

"1.5 GHz间隔双色激光"的研究结果令人振奋。通过将两个激光器锁定到FSR（自由光谱范围）为1.5 GHz的F-P腔相邻模式上，并优化相位调制器性能（如采用iXblue MPX-LN-0.1低噪声调制器），团队实现了惊人的性能指标：1.5 GHz拍频信号的单边带（SSB）相位噪声在1 Hz处低至-52 dBc Hz^-1，比两个独立激光器的拍频噪声低四个数量级；归一化到光频的分数频率不稳定性达到2.7×10^-17（1秒平均）。

在"0.5 THz间隔双色激光及其在低噪声微波生成中的应用"部分，研究团队将频率间隔扩大到0.5 THz（相当于21个EO梳齿间隔）。通过电光频率分频系统，将双色激光的相对稳定性转移到25 GHz介质谐振振荡器（DRO）信号。测试结果显示，生成的25 GHz微波信号相位噪声为-74 dBc Hz^-1（1 Hz）和-120 dBc Hz^-1（100 Hz），分数频率不稳定性达6×10^-14（1秒），超越了氢脉泽的短期稳定性。

这项研究的结论部分强调了多方面的突破性意义。在技术层面，研究首次证明双色激光的相对相位噪声可以仅受限于PDH锁定系统的量子噪声，且在增大频率间隔时仍能保持优异性能。提出的电光频率分频方案不仅为激光相位噪声表征提供了新方法，还创造了一种结构简单、性能卓越的微波生成途径。在应用前景方面，这种高相干双色激光器将显著提升引力波探测器、双梳光谱仪等精密测量设备的性能，同时在CPT（相干布居囚禁）原子钟、量子计算等光与物质相互作用领域展现出巨大潜力。

特别值得注意的是，该研究在多个性能指标上创造了新纪录：双色激光的分数频率不稳定性（2.7×10^-17）和微波信号的相位噪声（-74 dBc Hz^-1）均达到目前报道的最佳水平。这些突破为相关领域树立了新的技术标杆，预示着精密测量和量子技术即将迎来一个崭新的发展阶段。