光学前沿动态
OPTICS FRONTIERS
25
2026
-
05
亮点 | 基于固态WGM微腔的赫兹级积分线宽便携稳频激光器
作者：
Photonics Research 2026年第4期Editors’ Pick：
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目前，基于法布里-珀罗腔的超稳激光方案通常体积庞大，且需借助超高真空系统和复杂的隔振装置，难以满足非实验室环境的应用需求。针对这一技术瓶颈，北京大学等单位提出并在常压、室温环境下首次实现了基于便携式固态MgF?回音壁模式微腔的激光输出，获得了赫兹级积分线宽（4 Hz）以及2.5×10?¹?@10 ms的分数频率稳定度。与传统超稳腔相比，该器件无需真空和主动隔振，封装体积仅手掌大小，兼具高性能与高鲁棒性。该结构设计巧妙，具备良好的工程应用潜力，可为便携式光原子钟、高精度导航、遥感等面向现场部署的精密测量技术提供关键器件支撑，有望推动超稳激光从实验室走向更广泛的实际应用场景。
——周佳琦研究员，中国科学院上海光学精密机械研究所
超稳激光器是光原子钟、引力波探测等精密测量的核心工具，但传统基于法布里-珀罗腔的方案体积庞大、需要超高真空和复杂隔振，难以走出实验室。随着便携式光原子钟、导航、遥感等应用的兴起，亟需一种兼具高稳定性、小体积和高鲁棒性的超稳激光方案，如图1所示。针对这一挑战，北京大学物理学院杨起帆研究员课题组与合作者提出并实现了一种基于MgF?晶体回音壁模式微腔的紧凑型超稳参考腔，首次在常温常压环境下利用固态器件展示了赫兹级积分线宽激光输出。相关研究成果以“Hertz-integral-linewidth lasers based on portable solid-state microresonators”为题发表于Photonics Research 2026年第4期。
图1 封装结构与实验系统。(a) 封装结构示意图；(b) 封装器件实物照片；(c) 激光稳频与性能表征实验装置
研究团队选用低吸收、低热折系数的单晶MgF?，通过精密机械研磨抛光制备出直径约30 mm的碟形微腔，加载品质因子高达2.24×10?。该参考腔模块采用保偏光纤锥耦合和紧凑封装（48 mm×78 mm×98 mm），内部集成温度控制系统，无需真空封装和主动隔振，可在非实验室环境条件下稳定运行。利用PDH（Pound-Drever-Hall）锁频技术，将商用光纤激光器锁定至该MgF?-WGM微腔参考腔，实测积分线宽达到4 Hz（1 rad²定义），10 ms积分时间下的分数频率稳定度为2.5×10?¹?@10ms，接近热折噪声的理论极限，在常温环境下基于紧凑型固态参考腔实现了赫兹级积分线宽。
图2 稳频激光性能。(a) 相位噪声测量与仿真结果；(b) 积分相位噪声得到4 Hz积分线宽；(c) 两独立稳频激光的拍频时域信号；(d) 激光系统频率稳定度
该工作的创新意义在于，将传统需要庞大实验室环境的超稳激光核心部件压缩至巴掌大小，且完全在常温常压下运行，无需真空和主动隔振，鲁棒性极高。这一技术为便携式光原子钟、高精度导航、大地测量、遥感以及小型化微波光子振荡器等应用提供了关键的器件基础，有望将实验室级精密测量能力转化为可部署的现场系统。
共同通讯作者、北京大学长三角光电科学研究院张方醒研究员表示：“以前我们总认为赫兹级线宽必须在超稳F-P腔加真空系统中才能实现，现在一个巴掌大的常温封装器件就能做到。这为依赖于稳频激光的原子钟、精密感知设备等系统真正走向野外实验创造了全新可能。”
研究团队计划将进一步优化微腔横截面以增大模式体积，或采用夹层复合结构补偿热膨胀，有望将频率稳定度提升至10?¹?量级、积分线宽接近亚赫兹。同时利用MgF?的宽透明窗口，将工作波长拓展至近可见光波段，并探索与光子集成芯片的混合集成，推动全固态便携式光原子钟的研制。
撰稿 | 张方醒 北京大学长三角光电科学研究院
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