Jonathan Gillot等作者来自法国勃艮第-弗朗什孔泰大学（Université de Bourgogne-Franche-Comté）的FEMTO-ST研究所，其团队在2022年9月26日发表于《Optics Express》第30卷第20期的研究论文中，报道了一项关于超稳激光器中残余振幅调制（Residual Amplitude Modulation, RAM）数字控制技术的突破性进展。该研究通过结合温度稳定、激光功率锁定和电光调制器（Electro-Optic Modulator, EOM）直流偏压的主动控制，将RAM降至1.4×10⁻⁷水平，对应频率稳定度达5×10⁻¹⁹，显著低于当前最优光学腔的热噪声极限（~10⁻¹⁷）。

学术背景

超稳激光器是引力波探测、原子钟、洛伦兹不变性测试等精密实验的核心器件。Pound-Drever-Hall（PDH）技术通过电光调制器对激光相位调制实现频率稳定，但EOM产生的残余振幅调制（RAM）会引入伺服误差信号偏移，限制激光频率稳定度。当系统接近10⁻¹⁶分数频率稳定度时，RAM成为突破热噪声极限的主要障碍。本研究旨在开发一种针对自由空间EOM的数字化RAM抑制系统，应用于低温硅腔激光稳频。

研究流程与方法

1. 理论建模

研究首先基于偏振匹配理论建立RAM的数学模型（公式1-4），指出RAM主要源于EOM晶体与光偏振面的非理想对准（θ和γ角偏差）、温度波动引起的双折射变化（Δφ）以及寄生干涉效应。通过推导光电场表达式（公式2）和光电流方程（公式5），证明通过调控EOM的直流偏压或温度可抵消Δφ，从而抑制RAM。

2. 实验系统构建

实验装置（图2）包含：
- 光源：1542 nm光纤激光器，经声光调制器（AOM）实现功率锁定（稳定度ΔP/P=10⁻⁴）。
- EOM模块：非楔形LiNbO₃晶体，22.9 MHz射频调制，配备珀耳帖温控（±20 mK精度）和高电压直流偏压（±196 V动态范围）。
- 检测系统：分束器将光信号分为环路内（PD1）和环路外（PD2）光电二极管，后者用于独立RAM监测。
- 数字伺服：基于FPGA的14位ADC/DAC系统，通过IQ解调提取误差信号（公式7-8），带宽达8 kHz。

3. RAM抑制策略

• 被动抑制：光学元件倾斜5°以减少寄生干涉，移除光电二极管保护窗消除回反射。
  
• 主动控制：
  
  • 温度锁定：将EOM温度设定于RAM零点（图3a，间隔约0.4°C）。
    
  • 功率稳定：AOM反馈抑制激光功率波动。
    
  • 直流偏压伺服：数字PID调节EOM偏压，补偿剩余RAM（图3b）。
    

4. 性能验证

通过艾伦方差分析（图4b）表明：
- 自由运行时RAM为10⁻⁵量级，温控和功率锁定后降至3×10⁻⁶。
- 全锁定状态下，RAM稳定度达1.4×10⁻⁷（τ=60 s），对应频率不稳定度5×10⁻¹⁹，优于硅腔热噪声极限（3×10⁻¹⁷）。
- 长期漂移（>1000 s）控制在5×10⁻⁷以内，验证了系统的鲁棒性。

主要结果与逻辑关联

1. 理论验证：公式12修正了传统RAM频率稳定度估算模型，引入调制深度因子j₁(βz)/4j₀(βz)≈0.16，使预测值更精确。
   
2. 技术突破：
   
   • 多参数协同控制：首次将EOM温控、激光功率稳定与直流偏压伺服集成，RAM抑制效果较单一手段提升100倍（图4a）。
     
   • 数字伺服优势：FPGA实现无滞后、可重复的误差信号处理，克服模拟电路的漂移问题。
     
3. 应用验证：在2.5×10⁵精细度的低温硅腔中，RAM贡献低于热噪声2个数量级，满足下一代超稳腔需求。
   

结论与价值

该研究通过创新性的多参数数字化控制体系，将RAM抑制技术推向新高度：
- 科学价值：揭示了温度、偏振对准与直流偏压对RAM的耦合机制，为高精度PDH系统设计提供理论框架。
- 应用价值：方案可直接应用于光钟、引力波探测器等前沿领域，尤其适用于需要长期稳定性的低温光学系统。

研究亮点

1. 全数字控制架构：首次实现EOM温度、激光功率与RAM误差信号的数字化协同反馈，带宽达8 kHz。
   
2. 极低RAM水平：1.4×10⁻⁷的RAM稳定度为迄今报道最优值之一。
   
3. 系统兼容性：方案适用于自由空间EOM，弥补了以往楔形晶体或体光学方案的局限性。
   

其他贡献

• 环境隔离设计：光学平台隔振与温控箱有效抑制实验室环境扰动（图4a中2500 s周期波动）。
  
• 开放数据：作者声明可依合理请求提供实验数据，促进学术验证。
  

该研究为突破超稳激光器热噪声极限提供了关键技术支撑，其方法论对精密光学测量领域具有普适指导意义。