首页新闻中心行业资讯【资讯】TOPTICA 超稳钟激光器 CLS 全解析

【资讯】TOPTICA 超稳钟激光器 CLS 全解析

2026-05-11 18:14:16 行业资讯 2

超稳激光器,皮秒激光器，激光器， TOPTICA CLS 以外腔半导体激光器（ECDL）为光源，锁定至高精细度光学谐振腔，实现1秒平均时间分数频率不稳定性＜2×10?¹?，相位噪声低至-90 dBc/Hz，长期平均时间下阿伦方差可优于9×10?¹?，完全满足前沿量子与计量应用对超稳光源的严苛要求。

01 核心性能：极致稳定

TOPTICA CLS 以外腔半导体激光器（ECDL）为光源，锁定至高精细度光学谐振腔，实现1秒平均时间分数频率不稳定性＜2×10?¹?，相位噪声低至-90 dBc/Hz，长期平均时间下阿伦方差可优于9×10?¹?，完全满足前沿量子与计量应用对超稳光源的严苛要求。

“我们的核心目标是将极致的频率稳定性与坚固且易于操作的系统设计相结合。这使得用户能够直接获益于超稳激光的卓越性能，而无需面对传统实验室搭建的复杂性与繁琐的维护工作。”TOPTICA 激光参考研发工程师 Dr. Florian Schäfer 表示。

02核心技术:高稳频光学腔与多级控制方案

2.1 CLS 光学腔设计

CLS 采用法布里–珀罗型高精细度光学腔（精细度约 20 万）作为频率参考。为实现该精细度，镜片反射率需高于99.9985%；

腔体：10 cm 长超低膨胀（ULE）玻璃间隔块，两侧光胶接触高反镜片

镜片：熔融石英（FS）基底 + 高反介质膜

自由光谱范围：1.5 GHz

热噪声极限：阿伦方差相对频率不稳定性＜4×10?16

谐振线宽：精细度20万时为7.5 kHz（短于5 cm 设计更窄）

2.2 光源与控制

CLS 光源为 TOPTICA 外腔半导体激光器（ECDL）：

电流调制：带宽约2.5 MHz

腔内 EOM 调制（F选项）：带宽最高4.5 MHz
压电陶瓷（PZT）调腔：带宽低、动态范围大，可实现数周连续稳频锁定。

图1 激光相位噪声功率谱密度。采用腔内EOM反馈（深红色曲线）相比二极管电流反馈（蓝色曲线）锁定带宽提升，环路谐振峰位置偏移；同时给出自由运行ECDL相位噪声（浅红色数据）

03 环境噪声全面抑制

3.1 温度变化

除真空腔外壳外，腔体还置于双层真空铝制热屏蔽罩内；真空腔外包覆隔热膜，与稳频光路一同安装在定制铝制机箱内，提供机械刚性与额外热辐射屏蔽。内层热屏蔽罩与真空腔采用双组帕尔贴元件主动温控，实现0.1 mK级（回路内测量）温控精度。腔体间隔块几何结构与真空腔内机械安装均经过优化，被动最小化温度与地震振动对腔长的影响，同时支持真空状态下运输。该基础设计由德国联邦物理技术研究院（PTB）研发并专利授权给 TOPTICA。

3.2 残余幅度调制（RAM）

CLS 抑制方案：

用光隔离器抑制寄生标准腔效应

光机设计避免光学元件形成平行表面

采用楔形 EOM 晶体，几何分离寻常光与非寻常光，被动抑制 RAM

EOM 主动温控：EOM 温度变化＜0.1 °C 时，RAM 引起的残余相对频率偏移＜5×10?16

3.3 光功率波动

腔体充分隔离外部环境后，长度稳定性的本征极限由热噪声决定。入射光功率的一部分会被腔体组件吸收，功率波动会导致吸收功率与温度起伏，通过膜层膨胀/收缩与基底折射率变化改变腔光程。要实现0.1 Hz 频率稳定，入射光功率需稳定至纳瓦（nW）级。

CLS 通过声光调制器（AOM）或 EOM主动稳功率，3小时测量内残余均方根功率波动＜5 nW。对729 nm、精细度20万的光学腔，对应残余相对频率噪声＜3×10?16，阿伦方差在1秒以上平均时间优于9×10?17。

3.4 光纤噪声抵消（FNC）

激光稳频至腔体后，需通过光纤传输至几米至几百米外的应用端。光纤受环境扰动会引入相位噪声，尤其在 1 kHz 以下偏移频率显著劣化输出稳定性。

CLS 可选配光纤噪声抵消（FNC）模块，基于改进型迈克尔逊干涉仪，在高速光电探测器上测量光纤引入的相位噪声，并通过锁相环驱动 AOM 实时补偿。对 20 m 保偏光纤，FNC 锁相环回路噪声经频率归一化后，1 秒积分时间修正阿伦方差远低于1×10-17。启用 FNC 可完全消除光纤振动与温度引起的快慢相位噪声。