Laser frequency stabilization experiment with fast and slow feedback based on optical frequency comb

Zhou Ruxin; Zheng Pengcheng; Huang Zerui; Li Junxia; Huang Qiyin; Jing Yuzhen; Liu Peiliang

doi:10.11714/acta.snus.ZR20260115

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Laser frequency stabilization experiment with fast and slow feedback based on optical frequency comb

Research articles | 更新时间：2026-07-24

- Laser frequency stabilization experiment with fast and slow feedback based on optical frequency comb
- Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni Vol. 65, Issue 4, Pages: 41-47(2026)
- 作者机构：
  
  中山大学物理与天文学院 / 广东省量子精密测量与传感重点实验室，广东珠海 519082
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.11714/acta.snus.ZR20260115
  CLC： TN24
- Received：29 April 2026，
  
  Revised：2026-06-03，
  
  Accepted：28 May 2026，
  
  Online First：25 June 2026，
  
  Published：25 July 2026
- 稿件说明：
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周茹心,郑鹏程,黄泽锐等.基于光学频率梳的快慢反馈激光稳频实验[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2026,65(04):41-47.

Zhou Ruxin,Zheng Pengcheng,Huang Zerui,et al.Laser frequency stabilization experiment with fast and slow feedback based on optical frequency comb[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2026,65(04):41-47.
周茹心,郑鹏程,黄泽锐等.基于光学频率梳的快慢反馈激光稳频实验[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2026,65(04):41-47. DOI： 10.11714/acta.snus.ZR20260115.

Zhou Ruxin,Zheng Pengcheng,Huang Zerui,et al.Laser frequency stabilization experiment with fast and slow feedback based on optical frequency comb[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2026,65(04):41-47. DOI： 10.11714/acta.snus.ZR20260115.

摘要

高稳定性的激光源是离子阱精密光谱测量和量子态操控实验的重要基础。针对镱离子精密测量实验对钟激光频率稳定性的需求，本文设计并实现了一种基于光学频率梳参考的快慢反馈激光稳频方案。系统通过检测连续波激光与光学频率梳梳齿之间的拍频信号获取频率误差信息，并构建双环反馈结构：慢反馈用于补偿激光器的长期频率漂移，快反馈则基于声光调制器实现高带宽频率调节。同时，为减弱声光调制器

衍射角随驱动频率变化对光路稳定性的影响，设计并实现了基于声光调制器两次移频的光路结构。实验结果表明，将934 nm激光锁定到光学频率梳后，拍频线宽被压窄到Hz量级，且在3 h内中心频率波动范围为±3.6 mHz，系统在1 s和1 000 s积分时间的相对不稳定度分别为

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18.03400040

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，表明该方案具备良好的锁频效果并显著提升了激光的长期频率稳定性。该方法还可拓展至多台激光器的同步锁定，从而为离子阱实验多波长激光系统的统一频率基准提供技术支持。

Abstract

A highly stable laser source is a fundamental requirement for precision spectroscopy and quantum state manipulation in io

n-trap experiments. To meet the demand for laser frequency stability in precision measurements with ytterbium ions， this work presents the design and implementation of a fast-slow feedback laser frequency stabilization scheme referenced to an optical frequency comb. The system extracts frequency error information by detecting the beat signal between a continuous-wave laser and a comb tooth of the optical frequency comb， and employs a dual-loop feedback architecture： a slow feedback loop compensates for long-term frequency drifts of the laser， while a fast feedback loop provides high-bandwidth frequency tuning based on an acousto-optic modulator（AOM）. To mitigate the impact of the AOM diffraction-angle variation with driving frequency on optical path stability，a double-frequency-shifting optical configuration based on the AOM is designed and implemented. Experimental results show that， after locking the 934 nm laser to the optical frequency comb， the beat note linewidth is compressed to the Hz level， and the center frequency fluctuation is reduced to ±3.6 mHz in 3 hours. The relative instability of the system reaches

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8.21266651

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s， demonstrating excellent frequency locking performance and significantly improved long-term frequency stability. Furthermore， this method can be extended to the simultaneous locking of multiple lasers， providing a unified frequency reference for multi-wavelength laser systems in ion-trap experiments.

关键词

Keywords

references

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