在日常生活中，激光技術(shù)已經(jīng)無(wú)處不在——從超市掃碼槍到醫(yī)療美容，從光纖通信到工業(yè)切割。然而，在科研和應(yīng)用領(lǐng)域，普通激光器的性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

      想象一下，如果激光的頻率總是飄忽不定，就像唱歌走調(diào)的歌手，那么依賴激光進(jìn)行精密測(cè)量的科學(xué)家將會(huì)多么頭疼。這就是為什么我們需要激光穩(wěn)頻技術(shù)——讓激光的頻率「穩(wěn)如泰山」。

      在眾多穩(wěn)頻技術(shù)中，Pound-Drever-Hall（PDH）技術(shù)憑借其性能脫穎而出，成為當(dāng)今主流的激光穩(wěn)頻方案之一。PDH技術(shù)得名于三位物理學(xué)大師：Pound、Drever和Hall。無(wú)論是探測(cè)引力波還是建造原子鐘，都離不開這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

為什么激光會(huì)「跑調(diào)」？

      激光頻率是由激光器諧振腔的有效長(zhǎng)度決定的。自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器會(huì)受到外部振動(dòng)、溫度變化等多種因素的影響，導(dǎo)致頻率隨時(shí)間波動(dòng)和漂移。商用單頻激光器的頻率漂移可達(dá)兆赫茲到吉赫茲級(jí)別，線寬在千赫茲到兆赫茲量級(jí)。

      這就好比一個(gè)精心調(diào)音的鋼琴，在溫度和濕度變化下，琴弦會(huì)松弛或緊繃，導(dǎo)致音準(zhǔn)偏離。科學(xué)家們需要一種方法來(lái)持續(xù)「調(diào)音」，讓激光頻率保持穩(wěn)定。

F-P腔：光學(xué)尺子

      PDH技術(shù)的核心是使用法布里-珀羅（F-P）腔作為光學(xué)鑒頻器。F-P腔本質(zhì)上是兩面互相平行且保持固定間距的反射鏡，具有非凡的選頻特性。

       整個(gè)PDH系統(tǒng)可分為光學(xué)鑒頻和電子學(xué)伺服兩大部分：

F-P腔的透射（藍(lán)）和反射（紅）光譜，顯示出明顯的選頻特性

F-P腔反射系數(shù)的幅度（上）和相位（下）響應(yīng)，相位響應(yīng)提供了頻率失諧的方向信息

PDH技術(shù)的三步曲

      PDH技術(shù)巧妙地將激光頻率的微小變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，整個(gè)過(guò)程分為三個(gè)關(guān)鍵步驟：

1. 相位調(diào)制

      激光首先通過(guò)電光調(diào)制器（EOM）進(jìn)行相位調(diào)制。忽略二階及高階邊帶影響，則經(jīng)過(guò)調(diào)制后的激光電場(chǎng)可以表示為：

      這相當(dāng)于在原始激光頻率（載波）兩側(cè)產(chǎn)生了一對(duì)邊帶，就像音樂(lè)中的主音和泛音的關(guān)系。

2. 光學(xué)鑒頻

3. 反饋控制

      解調(diào)出的誤差信號(hào)被送入反饋系統(tǒng)，通過(guò)壓電陶瓷（PZT）或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整激光器的腔長(zhǎng)或其它參數(shù)，從而將激光頻率「鎖定的」在F-P腔的諧振峰上。

      這就好比一個(gè)自動(dòng)調(diào)音系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)音準(zhǔn)偏差并微調(diào)琴弦張力，保持音準(zhǔn)穩(wěn)定。

典型的PDH鑒頻信號(hào)，中心過(guò)零點(diǎn)即為鎖頻點(diǎn)

靈敏度提升之道

      PDH技術(shù)的鑒頻靈敏度（斜率）是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響穩(wěn)頻效果。靈敏度公式為：

      從中可以看出，提高系統(tǒng)靈敏度有四條途徑：

1. 增加激光功率
2. 優(yōu)化調(diào)制深度β（最佳值約為1.082）
3. 提高F-P腔精細(xì)度
4. 使用更長(zhǎng)的F-P腔（減小FSR）

J?(β)J?(β)隨調(diào)制深度的變化關(guān)系，β=1.082時(shí)達(dá)到最大值

      由圖像可知，J?(β)J?(β)在β=1.082時(shí)達(dá)到最大值。

不同調(diào)制頻率下的鑒頻信號(hào)

      由圖像可知，調(diào)制頻率越高，主峰與邊帶峰分離越遠(yuǎn)，更容易捕獲和鎖定。

不同調(diào)制深度下的鑒頻信號(hào)

      由圖像可知，調(diào)制深度影響邊帶功率，進(jìn)而影響誤差信號(hào)幅度，通常取β=1.082時(shí)優(yōu)。

不同腔鏡反射率下的鑒頻信號(hào)

      由圖像以及精細(xì)度與腔鏡反射率R的關(guān)系公式可知，腔鏡反射率R越大，精細(xì)度越高，諧振峰越尖銳，誤差信號(hào)斜率越大，系統(tǒng)靈敏度越高。通過(guò)合理選擇這些參數(shù)，可以顯著提升PDH系統(tǒng)的性能。

從模擬到數(shù)字：PDH技術(shù)的現(xiàn)代化改造

       傳統(tǒng)PDH系統(tǒng)使用模擬器件，存在體積大、控制固化等缺點(diǎn)。隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化PDH技術(shù)正在成為研究熱點(diǎn)。

      基于FPGA的數(shù)字化方案具有明顯優(yōu)勢(shì)：

• 高速并行運(yùn)算，實(shí)時(shí)性好
• 集成度高，體積小巧
• 靈活可編程，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法
• 便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化功能

       數(shù)字化PDH技術(shù)不僅保持了傳統(tǒng)方法的性能，還增加了自動(dòng)尋峰、狀態(tài)切換、失鎖重鎖等智能功能，大大降低了操作難度。

應(yīng)用天地：從太空到桌面

      PDH技術(shù)的最著名應(yīng)用當(dāng)屬引力波探測(cè)。LIGO項(xiàng)目使用PDH技術(shù)將激光線寬壓窄至100Hz以下，從而能夠探測(cè)到極其微弱的引力波信號(hào)。

      除此之外，PDH技術(shù)還在以下領(lǐng)域大顯身手：

• 原子鐘：為導(dǎo)航、通信和金融系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)
• 精密光譜：研究原子分子能級(jí)結(jié)構(gòu)
• 量子計(jì)算：操控量子比特
• 光學(xué)陀螺：用于慣性導(dǎo)航

      隨著數(shù)字化和小型化技術(shù)的發(fā)展，曾經(jīng)需要整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)現(xiàn)在可以做到手機(jī)大小，為野外測(cè)量和空間應(yīng)用開辟了新天地。

未來(lái)展望

       PDH技術(shù)仍在不斷發(fā)展中。未來(lái)的研究方向包括：

• 更高精細(xì)度的F-P腔
• 更低噪聲的電子學(xué)系統(tǒng)
• 更智能的控制算法
• 更高集成度的光子芯片實(shí)現(xiàn)

       從1983年發(fā)展至今，PDH技術(shù)已經(jīng)走過(guò)了近40年的歷程，但它仍然充滿活力。隨著新技術(shù)和新材料的出現(xiàn)，這項(xiàng)經(jīng)典技術(shù)將繼續(xù)煥發(fā)青春，為科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供強(qiáng)大支撐。

       下次當(dāng)你在超市掃描二維碼時(shí)，不妨想一想：這束小小的紅光背后，是科學(xué)家們?nèi)绾尉媲缶尲す狻阜€(wěn)如泰山」的智慧結(jié)晶。

參考文獻(xiàn)

[1]曹開明.基于PDH技術(shù)的激光穩(wěn)頻控制研究與實(shí)現(xiàn)[D].南昌大學(xué),2024.

[2]公眾號(hào).青硯拾光

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