白皮书
Mephisto 激光器 – 超低噪声和超窄线宽
Mephisto 系列激光器兼具超低噪声和超窄线宽优势，是广受青睐的商用连续波 (CW) 激光器。单片非平面环形振荡器 (NPRO) 架构与有源噪声抑制技术相结合，为引力波研究、原子冷却与捕获、激光雷达、长路径干涉测量、光通信和其他高性能应用提供了宝贵的光学工具。
简介
2015 年 9 月首次探测到引力波 (GW) 时，这不仅是数十年工作的巨大成果，也是天文学领域激动人心的新时期的开始，时空计量数据开启了一个全新的观测窗口 – 这一成就获得了 2017 年诺贝尔物理学奖。很少有人会认为引力波目前代表了窄线宽连续波激光器领域的最严苛应用。研究人员需要能够观察到小至 1022 之一的时空调制信号。检测这些微小时空变化的首选方法是使用超稳定激光器的长距离干涉测量法。这些干涉仪（LIGO、GEO600、Virgo、KAGRA）均具有长达数公里、呈 90 度角的干涉仪臂。为了检测引力波，该系统需要能够测量相当于万亿分之一波长的路径差，其精度在光学干涉测量中是前所未有的。为了实现尽可能低的噪声，前面提到的所有四个引力波天文台的光学系统都以 Mephisto 激光器作为种子源，其 1064 nm 输出之后会被放大，并在强度和频率方面进一步稳定几个数量级，以获得注入干涉仪臂的光所需的参数 [1]。
另一个严重依赖低噪声激光器的应用是捕获冷原子。在此应用中，Mephisto 的放大版本（高达 55 W）能够提供业界领先的稳定性和线宽组合，并用于形成各种冷原子的光学偶极子陷阱。其高级版本是形成光学晶格 – 一种由微阱组成的光学景观，冷原子分布在其中。光学晶格在使用冷原子研究相变、光学原子钟、双原子分子和量子模拟器的研究中得到了广泛应用。在此应用中，激光器在强度和相位方面的光学稳定性对于确保获得最低原子加热速率至关重要，这能够最大限度延长实验时间。上述应用只是窄线宽、高稳定性连续波激光源实现的众多功能中的一小部分。激光雷达、光频率标准、压缩光实验、激光注入播种、自由空间光通信、光学测量、纳米颗粒捕获以及许多其他领域都受益于 Mephisto 产品线提供的参数。在本白皮书中，我们研究了业界静谧激光产品背后的技术和功能。
NPRO – 整体稳定性
自 1984 年 5 月由 Byer、Kane 及其同事在斯坦福大学发明以来[2]，非平面环形振荡器 (NPRO) 仍然被认为是噪声超低的连续波激光器架构。获得低输出噪声的关键之一是稳定的激光腔。典型的单模激光器包含增益介质和各种光学器件，这些光学器件位于由精密机械支架支撑的两个或多个发射镜形成的谐振腔中。NPRO 对激光腔采用完全不同的方法，其中单晶体既充当增益介质又充当激光腔，这是由晶体面确定的。同样重要的是，NPRO 充当单向行波环形振荡器。在线性激光腔中，最高增益模式（和所有模式）的电场矢量沿着腔体遵循驻波模式，从而导致“烧孔”– 增益沿着腔体以正弦模式耗尽（或未耗尽）。即使它们具有较低的绝对增益，其他纵模仍然可以利用最强模式未耗尽的增益产生振荡。这会消除不需要模式的振荡，将激光器设计为行波谐振器。这种类型的谐振器依靠光学二极管来强制沿单一传播方向振荡。光学二极管是一种正向传输远高于其反向传输的器件，导致单个纵波仅沿正向传播。与驻波模式不同，行波会耗尽所有可用增益并防止其他不需要的模式产生振荡。NPRO 设计中的巧妙元素之一是晶体不仅充当腔体，而且还集成了制造光学二极管所需的全部元件 - 全部采用单片形式。
单向 NPRO 振荡的完整理论[3] 不在本白皮书的讨论范围之内。总而言之，晶体被置于强磁场中，这使其像法拉第旋转器一样，独立于光束传播方向（非互易旋转），按相同的量和方向旋转通过激光偏振。此外，B 面和 D 面（图 1）处的全内反射 (TIR) 使腔体内的激光产生往复旋转。净效应是，在腔体周围的一个方向上，由于磁场和 TIR 引起的偏振旋转相叠加，而在相反的方向上，它们相互抵消，从而导致沿相反方向传播的两种模式产生两种不同的偏振态。可以将 A 面上的输出耦合涂层设计为稍微偏向一种偏振，从而产生单向振荡。
位于 Coherent Mephisto 系列激光器核心的 NPRO 晶体的尺寸。
图 1：NPRO 晶体内部光模（蓝色箭头）的示意图（橙色箭头代表泵浦光）。NPRO 增益晶体形成一个单片激光腔，其中的面角通过全内反射 (TIR) 确保高反射率。这些面的排列使得偏振旋转（由于 TIR）与外部施加的磁场相结合，从而优先支持单向行波激光操作。
线宽和频率调谐
NPRO 的频率特性（即线宽）优于其他激光器类型。Mephisto 型号直接从激光器提供 ≤3 kHz 的线宽，无需进一步增加稳定性。即使在今天，新型光纤激光器和外腔半导体激光器仍难以在自由运行操作中达到相同线宽性能。
当然，窄线宽谐振器仅适用于短期应用，除非可以主动控制频率漂移。在 Mephisto 中，使用两种不同的机制来提供发射频率的快速、精细控制以及缓慢、粗略控制。通过扩展，这种控制机制还提供在 30 GHz 区域内调整 Mephisto 绝对频率的功能。
通过使用连接到晶体的其中一个大型非光学刻面（即图 1 中的水平表面之一）的压电换能器 (PZT) 元件，可实现快速、精细控制。PZT 元件提供的晶体压缩（应变）会导致有效长度（或折射率）发生变化，进而导致纵模频率发生变化。该高速环路可在高达 100 kHz 的带宽下运行，并以 1 MHz/V 的幅度改变模态频率。
通过改变 NPRO 温度（温度调谐）可以解决缓慢但较大的频率变化问题。Nd:YAG 单片谐振器的温度变化会通过两种效应改变频率：晶体热膨胀系数和折射率随温度的变化。除了这些影响之外，温度变化还会导致 Nd:YAG 的增益曲线发生非常小的变化。考虑到这一点后，净有效变化约为 -3 GHz/K。图 2 显示了测量到的 Mephisto 基于温度的频率控制。当振荡模式的频率（由谐振器确定）相对于增益带宽的中心频率，发生与谐振器自由光谱范围 (FSR) 类似的位移时，就会发生跳模。当晶体温度变化 25°C 时，Mephisto 的完整调谐范围约为 30 GHz。由于发生跳模，该值低于 3 GHz/K 这个值。特殊的 Mephisto 版本可提供更宽的无跳模调谐范围（扩展调谐范围选项，跳模之间的调谐为 15 GHz）。使用特定谱线的用户还可以选择将调谐范围转移到较低频率（低至 281.565 THz）。图 3 总结了在进行温度和 PZT 调谐时 Mephisto 的整体调谐特性。
图 2：Mephisto 输出频率是晶体温度的函数。指示两种模态可以同时振荡的模跳和区域。
图 3：在进行 PZT 调谐和温度控制时，Mephisto 的频率调谐范围。
相位噪声和频率锁定
相位噪声是激光器频率线宽误差的名称。毫不奇怪，单片 Mephisto 激光谐振器产生的频率噪声性能优于由离散腔元件组成的激光谐振器，这些元件必然会相互产生振动或热漂移。根据预期应用，该频率抖动能够以功率谱密度 (PSD) 统计分布的形式表示，单位为 Hz/√Hz。
当 Mephisto 频率噪声以这种方式表达时，它遵循 1/f 行为。频率噪声在 1 Hz 时，约为 104 Hz/√Hz，在 10 kHz 时会降至 1 Hz/√Hz（图 4）。先前的独立测试表明 Mephisto 在各种频率下均可提供超低的相位噪声[4]。由于具有这种独特的性能，Mephisto 系列激光器是需要超低频率噪声应用的理想选择。
温度和 PZT 调谐机制可用于在外部控制下顺畅地调谐激光器，也可用于针对那些需要绝对固定频率输出的应用，将激光输出锁定到外部参照。与自激激光器相比，这种锁定还可以降低低频下的相位噪声。Mephisto 的倍频版本（Prometheus 激光器提供 1064 和 532 nm 输出）可轻松覆盖位于 532 nm 附近的多个分子碘 (I2) 过渡线，还可用于将其发射频率锁定到这些线的其中某个超精细跃迁中。这使其成为绝对频率参考和高精度计量的理想激光源。图 6 显示了碘锁定 Prometheus 的艾伦偏差测量示例。这里的 Prometheus 激光被锁定到分子碘的 R(56)32-0 跃迁的 a10 分量上。20 小时内记录的艾伦偏差测量表明：~10-13 的相对稳定性（修改后的艾伦偏差平均超过 1 秒）降至 3·10-14（平均超过 1000 秒）。这里的碘锁定工作和测量由 TEM Messtechnik GmbH 执行[6]。
在不需要绝对频率且用户希望在较高频率下稳定激光输出的应用中，Mephisto 可提供将激光锁定到稳定的高精细腔体中所需的功能。
图 4：Mephisto 功率谱密度性能在较宽的频率范围内遵循 1/f 行为，表明相位噪声极低。
图 5：分子碘 (I2) 在 532 nm 波长附近跃迁。绿色波段显示通过调整 Prometheus 发射频率可以覆盖的区域。改编自[6]。
图 6：碘锁定 Prometheus 激光频率与其平均值在 20 小时内的修正艾伦偏差测量。碘锁定由 TEM Messtechnik GmbH 进行[6]。
幅度噪声和降噪
Mephisto 产品系列还具有极低的幅度噪声。顾名思义，幅度噪声是指输出强度中的任何微小抖动。幅度噪声通常表示为相对强度噪声 (RIN)，它是根据测量时的平均功率电平进行了标准化的噪声。在像 Mephisto 这样的二极管泵浦固态激光器中，幅度噪声的主要来源通常是由残余泵浦二极管噪声产生的弛豫振荡。
弛豫振荡发生在任何激光器中，其中上态寿命长于腔阻尼时间，即当激光泵浦功率关闭时激光器中所有循环功率衰减的时间（主要通过输出耦合器损耗）。对于二极管泵浦激光器，当激光二极管泵浦功率发生变化时，即使变化很小，也会发生振荡弛豫，从而在 NPRO 或任何其他固态激光器的噪声频谱中产生峰值（参见图 6）。在 Mephisto 中，通过使用称为“噪音消除器”的功能可以有效消除该峰值。这是一个内置的快速反馈环路，其驱动信号由激光头内的光电二极管提供并作用于泵浦激光二极管电流。图 6 显示了该功能在消除 kHz 至 2 MHz 频谱区域内泵浦二极管噪声以及弛豫振荡峰值方面的效果。除了噪音消除器之外，为了支持极低的噪声排放，Mephisto 系统还使用专门设计的、主要基于模拟设计的低噪声电子控制器。
图 7：Mephisto 幅度噪声，以 RIN（相对强度噪声）表示，在频率高于 10 kHz 时指定为低于 -140 dB/Hz。噪声消除器电路可有效消除大部分泵浦二极管电流噪声以及由于张弛振荡而产生的噪声峰值。
功率调节和波长选项
一般来说，随着泵浦功率的增大，NPRO 将产生正热透镜效应，从而产生两个不利后果：泵浦二极管和谐振器模式之间的模式匹配恶化，最终导致谐振器变得不稳定。在热透镜效应下设计 NPRO 的详细研究[7] 表明当泵浦功率增加时，热透镜效应将导致模态光斑尺寸减小。最终，这将导致泵浦二极管和谐振器基模之间的模式匹配丢失，从而导致多横模振荡并丧失 NPRO 的主要功能。从这些考虑因素来看，很明显，高功率 NPRO 针对标称输出功率进行了优化，而不是针对低功率下使用时的低阈值或高效率进行了优化。Mephisto 可以实现高达 2W 的输出功率，能够保持通常的超窄线宽、低噪声和高频稳定性。如果需要更多功率，在保持超窄线宽的同时实现数十瓦的理想途径是使用主振荡功率放大器 (MOPA) 方法，此方法提供的功率高达 55 W（Mephisto MOPA 型号）。
尽管 NPRO 晶体通常提供的 Nd:YAG 基本波长为 1064 nm，但特定应用可以从不同的波长中受益。因此，Mephisto 激光器还提供具有绿光 (532 nm) 输出的倍频版本（Prometheus 型号）。
稳健的设计
单片谐振器的设计也比由分立元件构建的典型激光器更加可靠。不仅整个腔体封闭在大量活性介质中，而且除了一个表面之外的所有表面都使用内反射，从而能够尽量避免使用光学涂层。事实上，唯一的涂层表面是输出面，但在这里，实际的腔内反射也发生在活性介质内部。这意味着整个激光腔在设计上是无污染的，并且几乎不会受到损坏和出现老化。这与大多数其他激光器形成鲜明对比，在其他激光器中，设计者（通常还有最终用户）不得不担心如何保持光学对准和激光腔清洁。此外，NPRO 和泵浦二极管的小尺寸导致头部尺寸较小，从而可以直接精确地稳定工作温度并易于集成到 OEM 工具中。
总结
Mephisto 激光器充分发挥了 NPRO 激光器架构的独特潜力。这款激光器出色的激光束参数、无与伦比的超窄线宽、频率调谐、高功率和极低的噪声组合，使得 Mephisto 系列成为要求严苛的应用领域的理想选择，这些领域包括原子冷却与捕获、光通信、计量学、量子光学、引力波研究以及其他受益于窄线宽、超稳定激光源的应用。
参考文献
[1] P. Kwee et al., Opt. Express 20, 10, pp. 10617-10634 (2012)
[2] T.J.Kane, R.L.Byer, Opt. Lett.10, 65 (1985)
[3] A.C.Nilsson、E.K.Gustafson、R.L.Byer, IEEE J. Quantum Electron.QE25, 767 (1989)
[4] K. Numata et al., Proc.SPIE 10511, Solid State Lasers XXVII:Technology and Devices, 105111D (2018)
[5] J. Ye et al., IEEE T. Instrum.Meas.48, 2, pp. 544 - 549 (1999)
[6] https://tem-messtechnik.de/en/
[7] I. Freitag, A. Tunnermann, H. Welling, Opt. Comm.115, pp. 511-515 (1995)