在日常生活中，激光技術已經(jīng)無處不在——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，在科研和應用領域，普通激光器的性能還遠遠不夠。

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

      在眾多穩(wěn)頻技術中，Pound-Drever-Hall（PDH）技術憑借其性能脫穎而出，成為當今主流的激光穩(wěn)頻方案之一。PDH技術得名于三位物理學大師：Pound、Drever和Hall。無論是探測引力波還是建造原子鐘，都離不開這項關鍵技術。

為什么激光會「跑調」？

      激光頻率是由激光器諧振腔的有效長度決定的。自由運轉的激光器會受到外部振動、溫度變化等多種因素的影響，導致頻率隨時間波動和漂移。商用單頻激光器的頻率漂移可達兆赫茲到吉赫茲級別，線寬在千赫茲到兆赫茲量級。

      這就好比一個精心調音的鋼琴，在溫度和濕度變化下，琴弦會松弛或緊繃，導致音準偏離。科學家們需要一種方法來持續(xù)「調音」，讓激光頻率保持穩(wěn)定。

F-P腔：光學尺子

      PDH技術的核心是使用法布里-珀羅（F-P）腔作為光學鑒頻器。F-P腔本質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PDH系統(tǒng)可分為光學鑒頻和電子學伺服兩大部分：

F-P腔的透射（藍）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，相位響應提供了頻率失諧的方向信息

PDH技術的三步曲

      PDH技術巧妙地將激光頻率的微小變化轉換為可測量的電信號，整個過程分為三個關鍵步驟：

1. 相位調制

      激光首先通過電光調制器（EOM）進行相位調制。忽略二階及高階邊帶影響，則經(jīng)過調制后的激光電場可以表示為：

      這相當于在原始激光頻率（載波）兩側產生了一對邊帶，就像音樂中的主音和泛音的關系。

2. 光學鑒頻

3. 反饋控制

      解調出的誤差信號被送入反饋系統(tǒng)，通過壓電陶瓷（PZT）或其他執(zhí)行機構調整激光器的腔長或其它參數(shù)，從而將激光頻率「鎖定的」在F-P腔的諧振峰上。

      這就好比一個自動調音系統(tǒng)，實時檢測音準偏差并微調琴弦張力，保持音準穩(wěn)定。

典型的PDH鑒頻信號，中心過零點即為鎖頻點

靈敏度提升之道

      PDH技術的鑒頻靈敏度（斜率）是一個關鍵指標，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)化調制深度β（最佳值約為1.082）
3. 提高F-P腔精細度
4. 使用更長的F-P腔（減小FSR）

J?(β)J?(β)隨調制深度的變化關系，β=1.082時達到最大值

      由圖像可知，J?(β)J?(β)在β=1.082時達到最大值。

不同調制頻率下的鑒頻信號

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

不同調制深度下的鑒頻信號

      由圖像可知，調制深度影響邊帶功率，進而影響誤差信號幅度，通常取β=1.082時優(yōu)。

不同腔鏡反射率下的鑒頻信號

      由圖像以及精細度與腔鏡反射率R的關系公式可知，腔鏡反射率R越大，精細度越高，諧振峰越尖銳，誤差信號斜率越大，系統(tǒng)靈敏度越高。通過合理選擇這些參數(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。隨著現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術的發(fā)展，數(shù)字化PDH技術正在成為研究熱點。

      基于FPGA的數(shù)字化方案具有明顯優(yōu)勢：

• 高速并行運算，實時性好
• 集成度高，體積小巧
• 靈活可編程，易于實現(xiàn)復雜控制算法
• 便于實現(xiàn)自動化和智能化功能

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

應用天地：從太空到桌面

      PDH技術的最著名應用當屬引力波探測。LIGO項目使用PDH技術將激光線寬壓窄至100Hz以下，從而能夠探測到極其微弱的引力波信號。

      除此之外，PDH技術還在以下領域大顯身手：

• 原子鐘：為導航、通信和金融系統(tǒng)提供時間基準
• 精密光譜：研究原子分子能級結構
• 量子計算：操控量子比特
• 光學陀螺：用于慣性導航

      隨著數(shù)字化和小型化技術的發(fā)展，曾經(jīng)需要整個實驗室的PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)現(xiàn)在可以做到手機大小，為野外測量和空間應用開辟了新天地。

未來展望

       PDH技術仍在不斷發(fā)展中。未來的研究方向包括：

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

       從1983年發(fā)展至今，PDH技術已經(jīng)走過了近40年的歷程，但它仍然充滿活力。隨著新技術和新材料的出現(xiàn)，這項經(jīng)典技術將繼續(xù)煥發(fā)青春，為科學研究和工程應用提供強大支撐。

       下次當你在超市掃描二維碼時，不妨想一想：這束小小的紅光背后，是科學家們如何精益求精，讓激光「穩(wěn)如泰山」的智慧結晶。

參考文獻

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

[2]公眾號.青硯拾光

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