定义
输出的光学频率特别稳定的激光器。
对于某些激光应用，例如在高分辨率激光光谱，光学数据传输和各种科学实验中，需要具有特别稳定的光学频率的激光。 通常，同时需要较窄的线宽，使光学频率非常明确。 因此，频率稳定激光器可以看作是窄线宽激光器，具有具有特别稳定的发射频率的附加特征。 为此，应用了一些特殊的技术来稳定发射频率。
由于激光的波长与其光学频率密切相关，因此波长稳定激光器可以被认为是与频率稳定激光器相同的。 但请注意，基于波长测量（例如使用波长计）的稳定技术与直接测量光学频率的技术本质上不同，并且最终在精度上受到更多限制。
在许多情况下，对频率稳定性的要求远不如光学频率标准的极端情况那么苛刻，例如对于光学时钟，可能需要亚赫兹线宽和亚赫兹稳定性。 更简单的稳定技术就足够了，仅在千赫兹或兆赫兹范围内达到频率稳定性。
相位稳定比频率稳定要求更高。
在某些情况下，不仅需要稳定光频率，还需要稳定光相位。 这意味着光学相位的偏差必须限制在一定范围内（例如远低于1 rad）。 请注意，从长远来看，即使是最轻微的系统频率偏差也会导致任意大的相位偏差。
不稳定激光器的频率稳定性
我们首先考虑不稳定激光器的频率稳定性，即不应用任何特殊的稳定技术。
发射线宽很容易远小于增益带宽，或者小于腔内带通滤波器的带宽。 这基本上是因为激光增益（或净增益）的微小差异可能有利于一种或几种谐振器模式，因此激光只发生在这些模式上。 然而，这并不一定会导致高频稳定性；发射频率很容易在远大于发射线宽的范围内漂移。 例如，带通滤光片的激光增益光谱或峰值透射波长可能会因热效应而漂移。 这不仅会导致模式跳跃到相邻模式，还会导致相对较大的频率变化。
通过光反馈实现频率稳定
频率稳定性的实质性提高通常可以通过来自某些设备的光反馈来实现，该器件提供的频率选择性比激光本身具有更高的稳定性。 一个例子是激光二极管的被动稳定，具有来自体积布拉格光栅的光反馈，其中后者不仅具有远小于激光增益光谱宽度的反射带宽，而且不受温度变化和激光二极管中载流子密度变化的影响。 虽然获得的频率稳定性不是特别高，但至少比没有稳定的频率稳定性要好得多。
例如，使用具有稳定机械设置和精心保护免受环境影响（通常是隔振和温度稳定）的高精细光学谐振器，可以实现更好的稳定性。 然后，激光器必须可靠地锁定到一种特定的谐振器模式，即防止跳转到不需要的谐振器模式。 当使用相对较长的参考腔时，后者的要求暂时更高，就像特别小的线宽所要求的那样。 然后可能需要一个或多个额外的滤光片。
与涉及某种自动反馈机制的主动稳定方法相反，这种具有光学反馈的方法称为被动稳定。
有源频率稳定
主动频率稳定技术涉及某种反馈系统，该系统自动作用于激光，从而在很大程度上抑制其发射频率的漂移。 为此，需要满足以下条件：
- 必须有一个装置可以准确检测与所需激光频率的任何偏差。 这可以是某种经过精心稳定的光学谐振器（参考腔），具有温度控制和振动隔离功能，以及用于生成强频率相关电子输出信号的附加方法（参见下面的示例）。 使用低温谐振器可以实现特别高的稳定性[10]。 高Q值微谐振器也是一个有趣的选择[21]。 另一种方法是利用某些原子、离子或分子的窄光学跃迁；例如，参见参考文献[11]。
- 激光器必须在足够大的范围内进行频率可调，至少与没有频率稳定的可能漂移范围一样宽。
- 一些电子控制器需要将检测到的频率偏差转换为可应用于激光器的合适校正信号。 典型的解决方案是PID控制器（PID=比例-积分-微分）或PI控制器，其中应仔细优化控制参数，同时考虑激光器的详细调谐特性，可能还有频率测量设备的详细调谐特性。 性能在很大程度上取决于电子控制器的质量。
激光频率稳定的典型方法
下面介绍了一些特别流行的方法：
碘稳定激光器
用于激光稳定的常用光谱介质是分子碘（I2) [2, 3]。它可以很容易地保持在封闭的玻璃池中，并且在可见光谱区域具有广泛的吸收跃迁，可以用无多普勒饱和光谱精确探测。 例如，该技术可以应用于发射波长为 633 nm 的氦氖激光器，也适用于 532 nm 处的倍频Nd：YAG 激光器和各种激光二极管。
对于其他光谱区域，可能必须使用其他介质。 例如，有甲烷稳定的氦氖激光器发射3.39μm。
谐振器上的传输条纹锁定
一种特别简单的方法称为透射条纹锁定。 在这里，人们使用自动反馈系统将激光频率保持在谐振器共振的一侧，例如，发射强度是共振时实现的一半。 与谐振操作相比，条纹锁定最容易传递错误信号：根据频率偏差的符号，谐振器传输增加或减少。
即使使用Q因数相对较高的谐振器，无方法实现的精度也不是特别高。 例如，精度会受到激光功率变化的影响，并且很难达到远远优于共振宽度的精度。 另一个缺点可能是锁定范围窄：误差信号仅在小频率范围内提供信息。
汉施-库约稳定
Hänsch 和 Couillaud [4] 的方法在光学谐振器上采用偏振光谱。 线性偏振激光辐射在共聚焦参考腔处反射（与离轴入射一起使用，作为环形谐振器，以便于分离反射光）。 腔体包含一个偏振器，其定向与输入极化成一定角度。 反射光呈椭圆偏振，偏振状态具有很强的频率依赖性。 然后将光通过λ/4波片发送到偏振分光镜，然后是两个光电探测器。 两个光电流之间的差异提供所需的误差信号。 例如，实现的频率稳定性可以远远高于传输条纹锁定，并且该方法仍然相对简单，例如不需要像庞德-德雷弗-霍尔稳定那样的高频调制和光检测。
庞德-德雷弗-霍尔稳定
Pound-Drever-Hall激光频率稳定技术[5，14]基于光学外差检测，具有通过RF相位调制产生的光学边带，例如在电光调制器中。 本质上，人们通过相位调制器（由RF信号驱动）发送激光，然后将其反射到参考谐振器并将其发送到快速光电二极管。 （反射光可以用偏振片和λ/4波片与入射光分开。 a频率与谐振频率的偏差导致生成的边带相对于基频的相对相移，这意味着反射光的强度调制。 该调制信号被发送到RF混频器，该混频器也馈送相位调制器的驱动信号。 通过电子低通滤波器，可以使用未转换的信号作为输入，例如PID控制器的输入。
误差信号相对于小频率偏差的斜率可能非常高，使频率稳定在谐振器带宽的一小部分。 同时，锁定范围相当大：在很宽的频率范围内，误差信号提供有关频率偏差符号的信息。 这也有助于实现强大的频率锁定。
空间模式干涉（倾斜）锁定
倾斜锁定[12]利用光在光学谐振器上反射光的干涉效应。 激光的频率接近基波谐振器模式（TEM00），而它不与某些高阶谐振器模式（例如 TEM10 ）共振。 因此，反射基模光的相位具有很强的频率依赖性，而对应于高阶模态的光的相位仅与频率相关。 这导致反射光具有很强的频率依赖性空间强度分布，例如可以使用两段光电二极管进行检测。 虽然实现起来相当简单，但如果谐振器足够稳定，这种方法可以提供相当高的频率稳定性[15，22]。
参考文献
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