利用冷原子四波混频产生 10-18频率不稳定度窄线宽激光的理论探索

超窄线宽稳频激光具有频谱分辨率高、频率稳定度高、频率噪声低的特点，它是原子光钟、高分辨光谱、引力波探测、低噪声微波源和光学频率合成器等研究的关键器件。窄线宽稳频激光的性能决定了光谱的分辨率、精密测量的精度与灵敏度以及频率合成的噪声水平，因此国际上许多研究小组正不断努力提高稳频激光的性能：利用室温下30-40 cm长的光学参考腔已获得频率不稳定度在1×10−16的窄线宽激光（1秒平均时间），这些激光的性能受限于室温下的光学参考腔热噪声；为了降低参考腔的热噪声，德国的PTB和美国JILA实验室联合研制成21 cm长、温度稳定在124 K的单晶硅参考腔，并实现将1.5 mm激光锁定于该低温参考腔上，获得了频率不稳定度为4×10−17（1秒平均时间）的窄线宽稳频激光；美国JILA实验室还研制成6 cm长、温度在4 K的单晶硅光学参考腔，获得6.5×10−17（0.8-80秒平均时间）的窄线宽稳频激光。上述这些稳频的性能都受限于各自参考腔的热噪声，为了绕开光学参考腔的热噪声对稳频激光频率稳定度的影响，许多研究小组也提出了利用原子本身非常窄的跃迁谱线实现窄线宽稳频激光的方案，其中包括主动光钟方案和冷原子窄线宽跃迁谱线鉴频的激光稳频方案等，目前利用主动光钟方案已在实验上获得6.5×10−16的稳频激光。

上述方法要获得10-18频率不稳定度的稳频激光，在技术上是一大挑战。自2010年以来，实验室的马龙生课题组、黄国翔课题组和同济大学的朱成杰教授就开始讨论获得频率不稳定度在10-18的途径。经过多年讨论、计算与分析，终于在2018年获得了理论计算结果：当线宽为1 Hz的三束入射激光（功率稳定度在10-4），作用于囚禁在光晶格中的Sr原子，通过四波混频可产生pW功率、线宽为4 mHz、频率不稳定度为2×10−18的混频光。在该过程中，冷原子系统非常窄的跃迁谱线决定了四波混频的效率。因此即使入射光的线宽在Hz量级，冷原子系统的窄线宽能级也会自动滤出mHz量级的激光。如何减小冷原子的能级移动或者展宽是关键。根据计算，可通过选择合适的入射光的频率失谐量和功率，并控制入射光功率起伏，可望获得上述高频率稳定度的混频光。该项研究工作发表在Applied Physics Letters, 114, 051104 (2019)上，为下一步开展实验研究提供了理论依据。

图1.（a）利用冷原子四波混频获得稳频激光的实验装置示意图。入射的三束激光场通过锁定到一个Hz线宽的光学频率梳，获得位相相干与频率稳定度。在三束入射光的相干极化作用下，产生混频光；（b）混频光功率谱随传播距离z的变化。