可调谐双频铷法拉第激光器在量子精密测量与原子物理应用中的突破

研究人员针对双频激光在几何测量、光学微波生成和量子精密测量等领域的应用需求，开发了一种基于铷原子D2跃迁的780 nm可调谐双频铷法拉第激光器（DF Faraday laser）。通过调制转移光谱（MTS）技术锁定激光频率至87Rb超精细跃迁，其微波信号线宽达671 Hz，频率稳定性提升近一个量级，相位噪声降低25 dB以上。该研究为紧凑型原子钟、原子重力仪等应用提供了高性能光源。

　　

在精密测量和量子技术领域，双频激光（DF laser）因其能产生相干微波信号而成为关键工具，广泛应用于几何测量、激光雷达和原子物理实验。然而，传统双频激光系统存在频率稳定性不足、相位噪声高以及波长与原子跃迁不匹配等问题，限制了其在原子钟、重力仪等精密仪器中的应用。针对这些挑战，北京大学的研究团队开发了一种基于铷原子法拉第效应的可调谐双频激光系统，相关成果发表在《Optics》上。

研究团队利用法拉第反常色散滤光器（FADOF）的原子选择性透射特性，设计了一种780 nm双频铷激光器。该系统通过调节二极管电流可实现4.7-6.7 GHz的微波频率调谐，并采用调制转移光谱（MTS）技术将激光频率锁定至⁸⁷Rb的5²S_1/2(F=2)→5²P_3/2(F′=3)循环跃迁。关键技术包括：1）基于铷蒸气池的FADOF模式选择；2）外腔长度精密调控；3）MTS稳频反馈系统；4）微波信号相位噪声分析。

激光模式特性
通过压电陶瓷（PZT）调节腔长，实现了4.7-4.95 GHz和5.94-6.7 GHz双频输出，功率比达4.5。法布里-珀罗干涉仪（FPI）扫描显示两纵模间隔6.7 GHz，对应铷原子D₂线的⁸⁵Rb和⁸⁷Rb跃迁。

线宽特性
与单频法拉第激光外差拍频测得两模式线宽分别为10.7 kHz和13.7 kHz。双模共腔设计使微波信号线宽降至671 Hz，较独立激光外差系统压缩一个量级。

频率稳定性
MTS锁定后，激光频率稳定性达7.03×10^-12（1秒平均），双频系统整体稳定性提升至3.13×10^-11。

噪声特性
在100 Hz偏移频率处，相位噪声较单频激光系统降低25 dB，相对强度噪声（RIN）在10 kHz处为-134.5 dBc/Hz。

该研究首次实现了铷原子跃迁匹配的双频激光输出，其窄线宽、高稳定性和低噪声特性为原子干涉仪、相干布居俘获（CPT）原子钟等设备提供了理想光源。通过优化FADOF参数，未来可扩展至铯、钾等其他碱金属原子体系，并为太赫兹信号生成提供新思路。研究团队Xiaomin Qin等人指出，这种一体化设计显著降低了系统复杂度，有望推动量子传感器的小型化和实用化进程。