高稳定性和高精度：543.5纳米激光通过PPLN晶体倍频技术，以光频梳作为参考标准进行频率调节

《Optics and Lasers in Engineering》：High stability and accuracy 543.5 nm laser referenced to optical frequency comb by PPLN crystal frequency doubling

基于光学频率梳和声光调制器的相位锁定技术，本文提出了一种新型543.5 nm稳频激光生成方法，通过PPLN晶体二次谐波生成实现48 mW高功率输出，频率稳定性达<1 Hz，相对不确定度1.0×10?13，显著优于传统碘稳频氦氖激光。

　　

王建波|赵英杰|毕文文|尹聪|周家生|穆金涛|孔明|邓晓|程新斌

中国国家计量研究院，北京100029

摘要

作为重要的波长参考光源，543纳米频率稳定的激光器为常用的633纳米稳定的氦氖激光器提供了另一种选择，在高精度长度和波长计量中发挥着重要作用。本文提出了一种生成和稳定543.5纳米激光的新方法，该方法与传统的稳定氦氖激光器有根本不同。该方法利用声光调制器（AOM）将单频、窄线宽的1087纳米光纤激光器与光频率梳相位锁定，然后通过二次谐波生成（SHG）产生高度稳定的543.5纳米激光。这种方法能够将频率梳的高精度无缝地传递到连续波激光器上，而不会降低精度。本文分析了在周期性极化铌酸锂（PPLN）晶体中产生543.5纳米输出的过程，并讨论了使用光锁相环（OPLL）将连续波激光锁定到光频率梳的优势。实验结果表明，该方法产生的543.5纳米激光输出功率为48毫瓦，频率波动小于1赫兹，在锁定到频率梳后相对不确定性为1.0 × 10?13。与传统543纳米碘稳定氦氖激光器相比，这种新方法显著提高了激光的输出功率和频率稳定性。随后使用543.5纳米激光测量了低功率热稳定的543纳米氦氖激光的波长，从而实现了激光波长测量与主要频率标准的直接追溯性。这一成果凸显了该方法作为绿色光谱区域新一代波长参考光源的潜力，为精密光学计量技术的发展做出了重要贡献。

引言

高稳定性激光器是精密计量领域不可或缺的光学波长参考光源，在测量[1]、科学研究[2,3]和工业生产[4]中有着广泛的应用。传统的高稳定性激光器包括633纳米碘稳定氦氖激光器[5]、532纳米碘稳定Nd:YAG固体激光器[6]、1542纳米乙炔稳定ECDL激光器[7]等。这些传统激光器采用激光光谱检测技术，直接将激光频率锁定到原子和分子跃迁能级，因此其频率稳定性和精度受到原子和分子能级覆盖的光谱范围的限制，只能在特定波长下实现频率锁定。这些激光器在不同波长下的频率稳定性和精度差异显著，且整个系统相对复杂。

光频率梳的发明为高稳定性激光器提供了一种新的参考方法。频率梳的频率精度和稳定性可以直接参考频率基准标准，达到10?1?或更好的水平。光频率梳具有极宽的光谱覆盖范围，超过几千纳米[8]。在其覆盖范围内，频率梳具有大量频率间隔严格相等的光栅齿，每个光栅齿都可以作为理想的高稳定性光学频率参考源。通过将连续波激光锁定到这些光栅齿上，可以实现激光的高波长或频率稳定性。利用这种方法，连续波激光的波长可以直接参考频率基准标准，从而达到极高的精度。

我们使用高精度的光频率梳作为频率参考源，开发了一种新型的543纳米稳定激光器，其相对不确定性为1.0 × 10?13。传统上，高稳定性的543纳米激光器主要使用碘稳定氦氖激光器实现，并作为国际计量委员会（CIPM）推荐的米定义实现参考标准之一，其波长相对不确定性为10?11[9]。然而，543纳米碘稳定氦氖激光器受限于其低增益介质和难以实现单频操作，输出功率通常低于200微瓦[10]，这严重限制了其在干涉测量中的应用。高功率543纳米稳定激光器作为广泛使用的633纳米碘稳定氦氖激光器的补充光源，为多波长超精密干涉测量提供了重要候选方案，推动了纳米甚至亚纳米级测量在几何计量学中的实现。

本研究提出了一种通过光频率梳和二次谐波生成（SHG）产生543.5纳米频率稳定连续波激光的新方法。具体来说，1087纳米分布反馈（DFB）单频光纤激光器通过声光调制器（AOM）[11]和光锁相环（OPLL）[12]与光频率梳相位锁定，实现频率梳到连续波的频率传递。随后，稳定的1087纳米激光通过周期性极化铌酸锂（PPLN）晶体转换为543.5纳米激光，输出功率达到48毫瓦，同时保持了频率梳带来的频率稳定性。实验结果表明，锁定的1087纳米激光的频率波动小于1赫兹。与碘稳定543纳米氦氖激光器相比，该方法实现了更高的频率稳定性和输出功率，并且无需依赖碘分子饱和吸收光谱。此外，它为热稳定的543纳米氦氖激光器和其他精密仪器建立了一种新型可靠的波长参考源。

系统和实验

基于AOM和OPLL频率稳定的543.5纳米激光系统如图1所示。该系统包括三个功能模块：(a) 1087纳米单频光纤激光器偏移锁定单元，(b) 用于生成543.5纳米的PPLN频率倍增单元，以及(c) 热稳定的543纳米氦氖激光计量单元。这三个模块协同工作，通过三阶段过程实现精确的波长控制：

测量不确定性分析

在本文中，稳定1087纳米激光的绝对频率是通过拍频信号获得的，其公式如下：

$f_1=n{f}_{re}\pm f_0\pm f_{\mathrm{b}}$其中，f₁是稳定1087纳米激光的绝对频率，f_rep是重复频率，f₀是载波-包络偏移频率，f_b是拍频，n是光栅齿的模数。

在公式(5)中，f_rep和f₀可以表示为：

$f_1=n{f}_{re}\pm f_0\pm f_{\mathrm{b}}$

这里，$\{\begin{array}{c}{f}_{re}{k}_{re}{f}_{in}+{\gamma }_{re}\\ f_0=k_0{f}_{in}+{\gamma }_0\end{array}$

这里，$f_{\text{in}}$是10 MHz的外部参考频率（铷原子钟）

结论

本文报道了一种通过SHG生成高度稳定543.5纳米激光的方法。该系统结合了基于AOM的OPLL将1087纳米单频激光与光频率梳相位锁定，然后在PPLN晶体中进行SHG，产生频率稳定的543.5纳米激光。研究系统地探讨了基本光束腰半径、输入功率和晶体长度对SHG转换效率的影响，量化了波长和温度接受带宽。

资助

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2023YFF0616201、2021YFF0603300）、中国国家计量研究院基本科学研究基金项目（编号：AKYZD2503）以及国家自然科学基金（编号：62475195）的支持。

CRediT作者贡献声明

王建波：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究、资金获取、数据管理、概念构思。赵英杰：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、形式分析、概念构思。毕文文：撰写 – 原始草稿、形式分析。尹聪：方法论、资金获取、概念构思。周家生：撰写 – 审稿与编辑、可视化。穆金涛：撰写 – 审稿与编辑、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。