超稳激光：解锁稳频新技术，迈向性能新高度

1899年，法布里（Charles Fabry）和珀罗（Alfred Perot）针对“双平行反射镜面构成的谐振腔（即FP腔）”，系统性提出多光束干涉核心原理——仅当入射光满足FP腔的谐振条件时，才能实现高效的腔透射。值得注意的是，此时激光尚未问世，但这一理论突破精准锚定了“频率筛选”的核心潜力，为后续激光频率的精密调控埋下了关键伏笔。20世纪中期半导体激光器的问世，成为FP腔应用推广的一个关键转折点：FP腔被直接集成在激光器谐振腔内，借助其多光束干涉的频率筛选特性，可将激光线宽从早期的MHz量级压窄至kHz量级。这不仅拓展了FP腔的应用边界，也为后续超稳激光技术的发展奠定了硬件基础。

然而，FP腔与激光技术深度结合并真正开启超稳激光时代，实则始于20世纪80年代前后。这一跨越与引力波探测LIGO项目（注：2017年诺贝尔物理学奖获奖成果）的技术需求密不可分——高精度激光干涉探测对激光稳定性有着极致要求，由此直接推动了FP腔从“干涉滤光元件”到“稳频基准器件” 的根本性功能转变。

实际上，传统基于FP腔透射特性的激光稳频，受限于被动滤波的本质，其效果并不如人意。是否可以利用FP腔反射特性进行稳频呢？

一座关键的里程碑由Drever（注：引力波LIGO项目联合创始人）、Hall（注：2005年诺贝尔物理学奖得主，表彰其在精密光谱学方面的突破性贡献）等人于1983年共同铸就：他们将Pound的微波腔技术思路拓展至光频领域，创造性地提出了FP腔的“Pound-Drever-Hall”（以三人名字命名，简称PDH）锁定技术。

该技术的核心创新在于：通过对激光进行相位调制，实时探测激光频率与FP腔反射口谐振频率的偏差，并反馈调节激光源。更关键的是，基于激光的频率抖动时间尺度与腔响应时间的相对关系，PDH锁定可在频率鉴别和相位鉴别两种工作模式间自动切换：当激光抖动时间大于腔响应时间时，以频率鉴别模式抑制激光的慢速漂移；当抖动时间小于腔响应时间时，以相位鉴别模式快速补偿激光的高频相位噪声。两种模式协同工作，使环路伺服带宽不再受限于腔响应时间，从根本上解除了超高Q值FP腔作为频率基准的枷锁，可显著压窄激光器线宽，有效改善激光频率稳定度。PDH技术凭借其卓越的稳频性能，至今仍是功能最强大、应用最广泛的主动激光稳频技术之一。

图1. 基于 PDH 技术的 FP 腔激光锁定原理框图

腔稳激光的频率噪声由FP腔本身噪声、伺服环路附加噪声和光电噪声共同决定。通常情况下，若PDH锁定的伺服带宽足够宽、增益足够大，激光器自身的固有低频噪声可被有效抑制至可忽略水平，此时FP腔的腔长相对稳定性成为性能主导。早期腔稳激光受外部振动、温度波动等机械噪声影响显著，即便采用微晶玻璃等低膨胀材料，仍存在明显频率漂移。

为突破局限，研究人员针对性地推出一系列优化方案：提升FP腔Q值（或精细度F）、采用超低膨胀材料制作腔体、搭配被动与主动温控系统抑制热形变、置于超高真空环境中抑制折射率变化、优化支撑与隔振设计削弱振动耦合等。通过这些措施，超稳激光的频率稳定度已提升至10^-15甚至10^-16水平。

如今，FP腔超稳激光技术日臻成熟，核心突破聚焦于三大方向：稳定度极致提升、可搬运和微型化集成、环境适应性强化。例如在稳定度极致提升方面，采用单晶硅腔体、新型高反膜腔镜，并结合极低温度环境抑制热噪声等措施，可将激光频率稳定度提升至10^-17量级，线宽可至惊人的mHz量级！

技术成熟推动其应用领域不断扩展，典型场景包括：干涉引力波探测（如地面的LIGO升级项目，太空的LISA、天琴和太极项目）、原子物理学中量子态光谱探测、光学频率标准建立，以及量子计算中的精密操控等前沿领域。