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2025-09-19 18:01:44
在日常生活中，激光技术已经无处不在——从超市扫码枪到医疗美容，从光纤通信到工业切割。然而，在科研和高端应用领域，普通激光器的性能还远远不够。
想象一下，如果激光的频率总是飘忽不定，就像唱歌走调的歌手，那么依赖激光进行精密测量的科学家将会多么头疼。这就是为什么我们需要激光稳频技术——让激光的频率「稳如泰山」。
在众多稳频技术中，Pound-Drever-Hall（PDH）技术凭借其卓越性能脱颖而出，成为当今最主流的激光稳频方案之一。PDH技术得名于三位物理学大师：Pound、Drever和Hall。无论是探测引力波还是建造原子钟，都离不开这项关键技术。
激光频率是由激光器谐振腔的有效长度决定的。自由运转的激光器会受到外部振动、温度变化等多种因素的影响，导致频率随时间波动和漂移。商用单频激光器的频率漂移可达兆赫兹到吉赫兹级别，线宽在千赫兹到兆赫兹量级。
这就好比一个精心调音的钢琴，在温度和湿度变化下，琴弦会松弛或紧绷，导致音准偏离。科学家们需要一种方法来持续「调音」，让激光频率保持稳定。
PDH技术的核心是使用法布里-珀罗（F-P）腔作为光学鉴频器。F-P腔本质上是两面互相平行且保持固定间距的反射镜，具有非凡的选频特性。
整个PDH系统可分为光学鉴频和电子学伺服两大部分：
关键步骤： 当激光注入F-P腔时，只有特定频率的光能够高效透过，其他频率的光则被反射。 F-P腔的性能主要由三个参数衡量： 其中R是镜面反射率，是激光频率与腔谐振频率的失谐量，是自由光谱范围。 高精细度的F-P腔可以提供极其尖锐的传输峰，相当于一把极其精密的光学尺子，能够检测出极微小的频率变化。
F-P腔的透射（蓝）和反射（红）光谱，显示出明显的选频特性
F-P腔反射系数的幅度（上）和相位（下）响应，相位响应提供了频率失谐的方向信息
PDH技术巧妙地将激光频率的微小变化转换为可测量的电信号，整个过程分为三个关键步骤：
激光首先通过电光调制器（EOM）进行相位调制。忽略二阶及高阶边带影响，则经过调制后的激光电场可以表示为：
这相当于在原始激光频率（载波）两侧产生了一对边带，就像音乐中的主音和泛音的关系。
调制后的激光注入F-P腔，反射光携带了频率失谐信息。鉴频信号是来自于光腔反射端的，假设上述三种光束都是独立传播，那么反射光的数学形式可表示为三种入射光分别乘以各自反射系数并求和。反射光电场为： 经过光电转换和一系列推导，我们最终得到的反射信号中含有反映频率失谐量的项： 其中为载波功率，为边带功率，包含了激光频率失谐的大小和方向信息。
解调出的误差信号被送入反馈系统，通过压电陶瓷（PZT）或其他执行机构调整激光器的腔长或其它参数，从而将激光频率「锁定的」在F-P腔的谐振峰上。
这就好比一个自动调音系统，实时检测音准偏差并微调琴弦张力，保持音准稳定。
典型的PDH鉴频信号，中心过零点即为锁频点
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