上海频准超稳激光系统自推出后持续迭代，现已形成多款高性能、高集成度产品（见图1），涵盖双轴立式、6U 19英寸柜式、3U 19英寸桌面式超稳激光系统等，相关介绍可参阅《超稳激光：解锁稳频新技术，迈向性能新高度》一文。凭借优异的性能与良好的使用体验，系列产品获得行业广泛关注与用户认可。为进一步挖掘超稳激光性能潜力，频准团队自主研制12.5 cm光学腔，实现更窄线宽、更高频率稳定度、更低相位噪声的激光输出。从12.5cm到20cm再到30cm，频准正围绕更长光学腔开展验证测试，持续挑战更高性能，为下一代超稳激光系统储备关键技术。

图1 频准超稳激光系统
左：5 cm双轴超稳激光系统，中：5 cm 6U超稳激光系统，右：2 cm 3U超稳激光系统

为追求更高的激光性能，频准研制出搭载12.5 cm光学腔的新一代可搬运式超稳激光系统，该系统热噪声极限稳定度可达5.3×10^-16。为精准评估这套1.0 um波长超稳激光系统的性能，将其与另一套同规格超稳激光系统开展互拍比对测试，采用频率计数器采集两套系统之间的拍频信号。

拍频频率可直观反映激光锁定后的频率抖动,基于采集的拍频数据能够计算出激光频率稳定度，测试结果如图2所示。实测单台激光阿伦偏差为6×10^-16@1s，8×10^-16@3s；扣除线性漂移项后,单台激光阿伦偏差为6.8×10^-16@1s，6×10^-16@100s，在1-500s积分时间范围内，激光频率稳定度均优于1×10^-15，证明激光锁定后频率抖动得到显著抑制。

图2（a) 超稳激光的频率稳定度

图2（b) 测量频率漂移为0.0123Hz/s

图3 超稳激光的线宽测量

为获取更为可靠的激光线宽统计结果，累计采集300组拍频信号半高宽峰值并进行统计分析。图4为线宽统计分布直方图,单台激光线宽最可几线宽为0.38Hz.采用相位噪声分析仪测量锁定激光的相位噪声,测试结果如图5所示。

图4 超稳激光的线宽统计分布直方图

图5 超稳激光的相位噪声

相较于5 cm腔系统，12.5 cm长腔整机体积更大，对温控、振动隔离等指标的控制要求也随之提高。系统除常规抑制剩余幅度调制、光功率抖动等扰动外，还需要考虑外界振动、气压变化、温度波动等环境因素带来的影响。

在振动抑制方面，通过优化腔体结构设计，使腔体在满足固定约束条件下对振动不敏感，保障腔体支持可搬运使用；同时整套系统搭载主动隔振平台，进一步隔离外部振动的扰动。

拍频测试结果表明，该系统三个正交方向的振动敏感度均达到10^-10/g量级，重力方向、横向光轴方向、横向垂直通光方向的振动敏感度分别为1.02×10^-10/g、1.88×10^-10/g、1.6×10^-10/g。三个方向拍频频率随振动的变化关系如图6所示。

在气压控制方面，光学腔体置于真空腔室内，依靠离子泵持续抽除残余气体，真空度稳定维持在10^-6 Pa水平甚至10^-7 Pa高真空区间，有效消除环境气压波动对腔长的调制效应。

图6 超稳腔三个方向的振动敏感度测量。

（a） 重力方向（b） 横向光轴方向方向（c） 向垂直通光方向

在温度控制方面，采用主动温控结合被动热屏蔽的策略。腔体底座外围设置多层镀金屏蔽层，该结构可使每层辐射热分布更加均匀，依靠多层结构逐级衰减环境温度慢漂移引入的热扰动。

腔体及腔镜选用超低热膨胀玻璃材料（如ULE），该材料在室温附近具有零膨胀温度点。将腔体温度精确稳定在该温度点，可最大程度削弱温度变化引起的频率漂移。本系统可实现长时间温度稳定，真空内温度起伏仅约1.5 mK@40h，如图7所示。

图7 环境温度与真空内温度变化

此外，本系统配套的PDH光路经过多轮迭代优化，具备结构紧凑、输出稳定、解调信噪比高、耦合效率优异等特点。结合腔体本身可搬运的特性，该光路设计能够保证系统搬运前后性能高度一致。如图8所示，整套真空腔体及PDH光路封装于尺寸为40 cm×53 cm×54 cm的隔音箱内，伺服、温控等控制模块集成于3U 19英寸机箱，可灵活放置于隔音箱顶部。用户可根据需求移动整机，无需重复开箱重新调节光路与光学腔的耦合。

图8 超稳激光隔音箱与控制机箱。
上：3U 19英寸控制机箱，多路控制器用于多路多波长激光锁定。下：隔音箱，内置光学腔、真空系统及配套光路

超稳腔的热噪声极限决定了超稳激光系统的性能上限。相关理论计算表明，12.5 cm腔体的热噪声极限由腔体、腔镜基底和镀膜噪声共同贡献，各部分占比如图9所示。当腔镜与腔体均采用ULE材料时，ULE腔镜基底的噪声占主导地位；若将腔镜换为熔融石英（FS），可降低基底噪声贡献，系统热噪声极限可从5.3×10⁻¹⁶降至3.5×10⁻¹⁶。然而，FS的热膨胀系数比ULE高出两个数量级，会造成FS腔镜与ULE腔体的零膨胀温度点失配。对此可在FS腔镜背面增加一ULE补偿环，将等效零膨胀温度点调回腔体材料零膨胀系数温度附近。针对室温超稳激光系统，频准可根据客户需求，提供全ULE或“FS腔镜+ULE腔体”两种解决方案。

图9 12.5cm腔体不同位置热噪声贡献百分比

对于多波长激光，频准可提供多种锁腔方案，满足现代量子科研平台多激光器同步锁定需求。实现单通道腔的多个波长锁定，一方面要求腔镜镀膜在目标波段具备超高反射率（>99.99%），另一方面对系统集成度、光路与控制系统设计提出了更高的要求。

基于12.5cm腔的技术积累，频准已推出兼容10 cm/12.5 cm光学腔的超稳激光系统。依托多波长镀膜腔镜，也成功实现了多波长锁频方案。例如，使用5 cm双轴超稳系统可同时锁定6台激光器，各激光器独立工作，无信号串扰；10 cm圆柱型超稳系统支持3个波长独立锁定，通道间互不干扰。

超稳激光是精密测量、量子调控和光频标等前沿领域的核心光源，其性能的每一次提升，都在不断拓展人类认知物理世界的边界。

频准激光将立足现有技术基础，持续向更高性能指标攻关, 例如更长腔长（30 cm）的光学腔已进入验证测试阶段。面向多用户、多场景的科研与工业需求，团队还将开发多通道并行锁定系统，利用单台高性能超稳腔同时锁定多台不同波长的激光器，通道之间互不干扰，降低用户采购与运维成本。

依托材料、结构、控制与系统集成多维度协同创新，我们坚信超稳激光的工程化落地，不仅能够支撑基础科学研究，还将赋能时间频率计量、深空探测、引力波天文学等重大工程，为我国高端光电装备的自主可控提供核心支撑。