Laser stabilized to a room temperature cavity with AlGaAs coatings reaching $4.2 \times 10^{-17}$ fractional frequency instability

技术摘要：利用 AlGaAs 涂层实现室温腔体激光器稳定化

问题与背景
具有超高频率稳定性的激光器对于从光学原子钟到基础物理研究再到长距离通信等应用领域至关重要。虽然目前通过将激光器参考至超稳法布里-珀罗（Fabry-Perot）腔可以获得最佳的频率稳定性，但室温系统受限于高反射率介质涂层的布朗热噪声。尽管晶体 AlGaAs 涂层已展示出降低此类噪声的潜力（在低温硅腔中实现了 $2.5 \times 10^{-17}$ 的不稳定性），但在室温系统中实现这一改进仍是一个悬而未决的挑战。现有的最先进室温腔体通常只能达到 $10^{-17}$ 中间的稳定性水平，这受到传统介质涂层热噪声的制约。

方法论
作者展示了一个参考了利用晶体 AlGaAs 涂层的室温超稳腔的激光系统。该腔体由两个间隔 48 cm 的超低膨胀（ULE）玻璃间隔器组成。反射镜为通过键合 GaAs/Al$_{0.92}$Ga$_{0.08}$As 晶体涂层制成的熔融石英基底。该涂层具有双折射特性。系统通过将温度稳定在 297 K 的 ULE 热膨胀系数零点处来进行热稳定。

为了评估稳定性，作者采用了三角帽法（TCH method），将腔稳定激光器与两台锁定在低温腔上的独立激光器进行比较。实验装置包括主动振动隔离（AVI）、三轴地震仪以及用于监测环境加速度的两轴倾斜仪。激光频率通过庞德-德雷弗-霍尔（PDH）技术进行锁定。

关键实验策略包括：

• 功率波动抵消： 系统利用了光双折射与光热光学效应之间的相反作用。通过优化腔内功率和/或使用外部 LED 照明（868–912 nm），作者实现了一种条件，使腔的本征频率对激光功率波动高度免疫，从而将对功率波动的敏感度降低到 0.5 Hz/µW 以下。
• 噪声表征： 构建了详细的噪声预算，考虑了热噪声（来自基底和间隔器）、残余幅度调制（RAM）、电子噪声和加速度噪声。
• 前馈校正： 为了应对在短平均时间下占主导地位的加速度噪声，作者实施了一种后处理前馈方法。该方法利用来自地震仪和倾斜仪的加速度数据，从测得的拍频中减去预期的频率波动。

关键结果

• 纪录级不稳定性： 该系统在约 400 秒的平均时间下，实现了 $4.2 \times 10^{-17}$ 的分数频率不稳定性（标准不确定度为 $0.6 \times 10^{-17}$）。这代表了报道过的室温系统中最低的不稳定性水平之一，并超越了传统介质涂层所带来的布朗噪声极限。
• 噪声预算符合度： 测得的稳定性与计算的噪声预算高度吻合。主要噪声源随平均时间的变化而变化：
  • 0.5 s 至 100 s： 主要受涂层双折射自发波动限制。
  • < 10 s 及 > 1000 s： 受加速度噪声（振动和倾斜）限制。
• 双折射噪声： 作者首次在室温系统中表征了涂层双折射的自发波动，并将其作为一种主要的噪声源。他们观察到，在 0.5 s 至 50 s 之间，这种噪声明显高于技术噪声贡献。与低温观察中双折射噪声随 $1/\sqrt{P_{trans}}$ 缩放的情况不同，在室温下，当功率降低时，1 s 处的噪声减少了 20%，而在较长时间内则没有影响。
• 加速度缓解： 虽然腔体对加速度的固有敏感度相对较高（垂直方向为 $1.0 \times 10^{-9}/g$），但应用基于测量加速度数据的前馈校正将加速度噪声的影响降低了四倍。这使得系统即使在当前演示中没有实时校正的情况下，也能在广泛的平均时间内保持 $10^{-17}$ 级的稳定性。

意义与主张
本文声称弥合了室温干涉仪与复杂低温系统之间的差距。通过采用晶体 AlGaAs 涂层，作者证明了在室温环境下也可以降低热噪声底限，从而实现了这些涂层在非低温条件下的应用潜力。

其主要贡献是识别并表征了室温环境下的涂层双折射噪声，将其确立为一个重要的噪声源，必须予以解决（例如通过偏振平均化）才能达到更低的不稳定性水平。此外，这项工作证明了基于测量加速度数据的加速度噪声前馈校正可以有效补偿机械缺陷，这表明未来具有较差机械性能的室温系统仍可以通过先进的控制方法实现高稳定性。结果表明，观测到的稳定性与腔体的基本热噪声一致，没有发现超出预测热限值的额外涂层噪声，这对于未来超稳激光器和引力波望远镜的发展至关重要。