基于光学频率梳的快慢反馈激光稳频实验

周茹心; 郑鹏程; 黄泽锐; 李君夏; 黄祺寅; 敬雨臻; 刘培亮

doi:10.11714/acta.snus.ZR20260115

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于光学频率梳的快慢反馈激光稳频实验

研究论文 | 更新时间：2026-06-26

- 基于光学频率梳的快慢反馈激光稳频实验
- Laser frequency stabilization experiment with fast and slow feedback based on optical frequency comb
- 中山大学学报(自然科学版)(中英文) 2026年65卷页码：41-47
- 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：
  
  周茹心（2001年生），女；研究方向：激光频率稳定技术；E-mail： zhourx23@mail2.sysu.edu.cn
  刘培亮（1984年生），男；研究方向：基于冷原子（离子）的精密测量； E-mail： liupliang@mail.sysu.edu.cn
- 基金信息：
  
  广东省量子科学战略专项(GDZX2304007;GDZX2505001);广东省重点领域研发计划(2019B030330001)
- DOI：10.11714/acta.snus.ZR20260115
  中图分类号： TN24
- 收稿：2026-04-29，
  
  修回：2026-06-03，
  
  录用：2026-05-28，
  
  网络首发：2026-06-26，
  
  纸质出版：2026-07-25
- 稿件说明：
移动端阅览
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

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=111651706&type=

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=111651718&type=

19.55800056

3.21733332

和

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=111651698&type=

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=111651719&type=

18.03400040

3.21733332

，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 manipulati

on in ion-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

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=111651720&type=

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=111651707&type=

22.69066620

3.72533321

at 1 s and

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=111651708&type=

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=111651699&type=

20.91266632

3.72533321

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=111651700&type=

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=111651721&type=

8.21266651

2.70933342

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

黄泽锐，郑鹏程，李君夏，等， 2026 . 开普勒型缩束饱和强吸收光谱稳频方案与应用［J/OL］. 激光与光电子学进展， 1 - 14 .［ 2026-04-29 ］. https：//link.cnki.net/urlid/31.1690.tn.20260428.1015.005 https://link.cnki.net/urlid/31.1690.tn.20260428.1015.005 .

刘宇森，王建波，殷聪，等， 2024 . 基于声光调制器的光学锁相环He-Ne激光稳频方法研究［J］. 红外与激光工程， 53 （ 3 ）： 20240003 .

Affolter M ， Gilmore K A ， Jordan J E ， et al ， 2020 . Phase-coherent sensing of the center-of-mass motion of trapped-ion crystals ［J］. Phys Rev A ， 102 （ 5 ）： 052609 .

Benkler E ， Rohde F ， Telle H R ， 2013 . Robust interferometric frequency lock between cw lasers and optical frequency combs ［J］. Opt Lett ， 38 （ 4 ）： 555 - 557 .

Blythe P J ， Webster S A ， Margolis H S ， et al ， 2003 . Subkilohertz absolute-frequency measurement of the 467-nm electric octupole transition in ¹⁷¹Yb⁺ ［J］. Phys Rev A ， 67 （ 2 ）： 020501 .

Chen Y T ， Xin N C ， Qin H R ， et al ， 2024 . Absolute frequency measurement of molecular iodine hyperfine transitions at 554 nm and its application to stabilize a 369 nm laser for Yb⁺ ions cooling ［J］. Chin J Phys ， 88 ： 485 - 492 .

Day M L ， Low P J ， White B ， et al ， 2022 . Limits on atomic qubit control from laser noise ［J］. NPJ Quantum Inf ， 8 ： 72 .

Drever R W F ， Hall J L ， Kowalski F V ， et al ， 1983 . Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator ［J］. Appl Phys B ， 31 （ 2 ）： 97 - 105 .

Gray J E ， Allan D W ， 1974 . A method for estimating the frequency stability of an individual oscillator ［C］// 28th Annual Symposium on Frequency Control . Atlantic City， NJ， USA ： 243 - 246 .

Häfner S ， Falke S ， Grebing C ， et al ， 2015 . 8×10⁻¹⁷ fractional laser frequency instability with a long room-temperature cavity ［J］. Opt Lett ， 40 （ 9 ）： 2112 - 2115 .

Han S L ， Cheng B ， Zhang J F ， et al ， 2009 . Stabilization and shift of frequency in an external cavity diode laser with solenoid-assisted saturated absorption ［J］. Chin Phys Lett ， 26 （ 6 ）： 063201 .

Huang Y X ， Wu W ， Mei Q Y ， et al ， 2025 . Experimental proposal on scalable radio-frequency magnetometer with trapped ions ［J］. Phys Rev Appl ， 24 （ 6 ）： L061002 .

Jiang J ， Viatkina A V ， Saaswath J K ， et al ， 2026 . High-resolution spectroscopy of ¹⁷³Yb⁺ ions ［J］. Phys Rev Lett ， 136 （ 2 ）： 023001 .

Jiang X ， Scott J ， Friesen M ， et al ， 2023 . Sensitivity of quantum gate fidelity to laser phase and intensity noise ［J］. Phys Rev A ， 107 （ 4 ）： 042611 .

Jin L ， Jiang Y Y ， Yao Y ， et al ， 2018 . Laser frequency instability of 2×10⁻¹⁶ by stabilizing to 30-cm-long Fabry-Pérot cavities at 578 nm ［J］. Opt Express ， 26 （ 14 ）： 18699 .

Löschnauer C M ， Mosca Toba J ， Hughes A C ， et al ， 2025 . Scalable， high-fidelity all-electronic control of trapped-ion qubits ［J］. PRX Quantum ， 6 （ 4 ）： 040313 .

Matei D G ， Legero T ， Häfner S ， et al ， 2017 . 1.5 μm lasers with sub-10 mHz linewidth ［J］. Phys Rev Lett ， 118 （ 26 ）： 263202 .

McFerran J J ， 2018 . Laser stabilization with a frequency-to-voltage chip for narrow-line laser cooling ［J］. Opt Lett ， 43 （ 7 ）： 1475 .

Mills A A ， Gatti D ， Jiang J ， et al ， 2012 . Coherent phase lock of a 9 μm quantum cascade laser to a 2 μm thulium optical frequency comb ［J］. Opt Lett ， 37 （ 19 ）： 4083 .

Numata K ， Kemery A ， Camp J ， 2004 . Thermal-noise limit in the frequency stabilization of lasers with rigid cavities ［J］. Phys Rev Lett ， 93 （ 25 ）： 250602 .

Peper M ， Li Y ， Knapp D Y ， et al ， 2025 . Spectroscopy and modeling of ¹⁷¹Yb Rydberg states for high-fidelity two-qubit gates ［J］. Phys Rev X ， 15 ： 011009 .

Plankensteiner D ， Schachenmayer J ， Ritsch H ， et al ， 2016 . Laser noise imposed limitations of ensemble quantum metrology ［J］. J Phys B ， 49 （ 24 ）： 245501 .

Qi Q C ， Zhang T ， Jin T Y ， et al ， 2025 . Enhancing optical clock stability via decoupling laser frequency noise and systematic effects ［J］. Chin Opt Lett ， 23 （ 9 ）： 092703 .

Riley W ， 2008 . Handbook of frequency stability analysis ［M］. Gaithersburg， MD， USA ： NIST .

Saito R ， Mukaiyama T ， 2024 . Sensing aharonov-bohm phase using a multiply-orbiting-ion interferometer ［J］. Phys Rev Lett ， 133 （ 14 ）： 143402 .

Sala T ， Gatti D ， Gambetta A ， et al ， 2012 . Wide-bandwidth phase lock between a CW laser and a frequency comb based on a feed-forward configuration ［J］. Opt Lett ， 37 （ 13 ）： 2592 .

Schioppo M ， Brown R C ， McGrew W F ， et al ， 2017 . Ultrastable optical clock with two cold-atom ensembles ［J］. Nature Photon ， 11 （ 1 ）： 48 - 52 .

Utreja S ， Rathore H ， Das M ， et al ， 2022 . Frequency stabilization of multiple lasers to a reference atomic transition of Rb ［J］. Sci Rep ， 12 ： 20624 .

Yang R T ， Lv H S ， Luo J ， et al ， 2020 . Ultrastable offset-locking continuous wave laser to a frequency comb with a compound control method for precision interferometry ［J］. Sensors ， 20 （ 5 ）： 1248 .

Zhang B L ， Ma Z X ， Huang Y ， et al ， 2026 . Liquid-nitrogen-cooled ⁴⁰Ca⁺ ion optical clock with a systematic uncertainty of 4.4×10⁻¹⁹ ［J］. Phys Rev Lett ， 136 （ 5 ）： 053202 .

Zhang M C ， Xie Y ， Zhang J ， et al ， 2021 . Estimation of the laser frequency noise spectrum by continuous dynamical decoupling ［J］. Phys Rev Appl ， 15 ： 014033 .

Zhou P P ， Sun W ， Liang S Y ， et al ， 2021 . Digital long-term laser frequency stabilization with an optical frequency comb ［J］. Appl Opt ， 60 （ 21 ）： 6097 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

氨基功能化聚对亚苯基亚乙烯在指纹显现中的应用

基于AMPK/PI3K/AKT通路探讨清开灵口服液治疗NAFLD的作用机制

面向大型变型航天器的智能轨道预报方法

多次顶空固相微萃取在不同年份广陈皮挥发性化合物定量中的应用

基于混合预处理神经网络模型的股价预测