【资讯】山西大学郑耀辉教授团队：国内外星载低噪声激光器研究进展

2026-10-20 17:24:12

本工作系统综述了国内外星载低噪声激光器研究进展及关键技术路线。针对极低频相对强度噪声难题，课题组构建了噪声评估系统，建立了光电负反馈噪声理论模型，并自主研制低噪声光电探测器、电压基准源和泵浦驱动源等关键器件，为空间引力波探测用高稳定激光光源研制提供了技术支撑。

图1 空间引力波探测激光器国内外主要研究进展

       近年来，面向空间引力波探测任务对高稳定、低噪声激光光源的迫切需求，国内外研究团队围绕星载激光器开展了持续深入的研究。国际上，以Laser Interferometer Space Antenna（LISA）任务为牵引，相关研究从早期高功率非平面环形振荡器（NPRO）激光器，逐步发展到基于主振荡器—功率放大器结构的光纤激光放大系统，并在频率稳定、强度噪声抑制、差分相位噪声评估以及热真空和振动环境验证等方面取得重要进展。国内方面，围绕太极、天琴等空间引力波探测计划，多个研究团队在一体化NPRO种子源、低噪声光纤放大器、高稳定激光系统及关键噪声抑制技术方面开展了系统研究，推动我国星载低噪声激光光源由原理验证向工程化、集成化和高可靠性方向发展。

       空间引力波探测任务对星载激光器提出了极为严苛的综合性能要求。除满足中心波长、输出功率、单频运行、基横模输出、线偏振特性、偏振消光比以及长期运行寿命等基本光学与工程指标外，激光器还需在复杂空间环境中保持优异的频率稳定性、功率稳定性和相位稳定性。其中，输出功率需达到瓦量级，以保证长臂干涉测量所需的有效光功率；同时，激光器还必须具备高可靠性、低功耗、抗振动、抗冲击和良好热稳定性，以适应卫星发射及长期在轨运行需求。这些指标共同决定了空间引力波探测系统的测量精度和探测灵敏度。

       激光频率噪声是影响空间引力波探测灵敏度的关键因素之一。由于星间干涉测量臂长极长且存在光程差，激光频率的微小波动会直接转化为等效长度测量噪声，进而影响微弱引力波信号的提取。为满足空间引力波探测任务对激光频率稳定性的严苛要求，通常需要采用多级频率噪声抑制策略，即首先对激光器进行频率预稳定，随后结合锁臂技术进一步降低频率噪声，最终通过时间延迟干涉技术在数据处理中消除残余噪声。

图2 左图：NASA研制TRL-6超稳腔工程样机；右图：非饱和吸收碘稳频系统工程样机

       在激光器层面，频率预稳定是实现高稳定光源的基础环节。根据频率参考的不同，常见稳频方案主要包括以长度为参考的稳频和以光谱为参考的稳频两类。其中，基于超稳光纤干涉仪的稳频方案具有体积小、质量轻、集成度高等优势，在空间应用中具有良好潜力；基于超稳参考腔的Pound–Drever–Hall（PDH）稳频技术则发展更为成熟，可将激光频率稳定锁定在参考腔的光学长度上，是当前空间引力波探测激光预稳定的重要技术路线。

（2）差分相位噪声及抑制措施

       差分相位噪声是空间引力波探测激光器面临的另一项关键技术指标。在LISA等空间引力波探测任务中，需要通过约2.4 GHz的相位调制边带在三个航天器之间传递超稳时钟信号。差分相位噪声本质上是相位调制产生的射频边带与光学载波之间的相位抖动，若激光放大器、相位调制器或射频传输链路引入额外相位噪声，将导致部分时钟噪声无法通过时间延迟干涉技术完全消除，进而影响微弱引力波信号的提取。与频率噪声和强度噪声相比，差分相位噪声的产生机理更加复杂。目前研究认为，光纤放大器中的温度波动、热机械效应诱导的双折射变化、光纤器件中的残余应力与应变变化、非线性效应，以及高频电学线缆、混频器件和射频驱动链路中的相位噪声，都可能成为差分相位噪声的重要来源。然而，到目前为止，差分相位噪声的主要来源尚未完全明确，相关噪声的定量分离与抑制仍是空间引力波激光系统工程化中的难点之一。

       近年来，国际上已开始围绕差分相位噪声的精密测量与来源辨识开展系统研究。2024年，NASA团队搭建了可移动的差分相位噪声测试平台，通过优化测试环境温度稳定性，对技术等级6的Laser Optical Module进行了差分相位噪声表征。实验结果表明，当测试环境温度趋于稳定后，该激光模块的差分相位噪声已满足LISA任务对空间引力波探测激光器提出的技术指标要求。这一进展表明，差分相位噪声的精密表征与环境控制已成为推动星载低噪声激光器迈向工程应用的重要环节。

图3 差分相位噪声测量结果图

（3）相对强度噪声及抑制措施

       相对强度噪声（RIN）是空间引力波探测激光器的另一项核心指标。根据耦合机制和影响频段的不同，激光器相对强度噪声可分为DC-RIN、kHz-RIN、1f-2f-RIN以及HF-RIN等类型。其中，最具挑战性的是0.1 mHz~1 Hz极低频段的DC-RIN。这一频段的噪声主要表现为激光功率的缓慢漂移，会通过辐射压力噪声作用于测试质量，进而限制干涉测量灵敏度。由于该频段噪声极易受到温度变化、环境扰动以及电子学器件低频噪声的影响，要在长时间运行条件下实现稳定抑制，既需要高精度噪声评估方法，也需要低噪声光电反馈系统和高稳定电学器件支撑。

图4 极低频段光电反馈自研电学器件

       针对这一难题，山西大学光电研究所研究团队开展了系统性研究。团队首先构建了极低频段激光强度噪声评估系统，结合低噪声光电探测、高精度数字万用表和对数频率轴功率谱密度估计算法，实现了对低于1 Hz频段激光强度噪声的长时间、高精度表征。随后，团队建立了光电反馈噪声理论模型，明确了在高环路增益条件下，参考电压噪声和光电探测器电子学噪声是限制系统性能的主要因素，为低噪声反馈系统设计提供了理论依据。围绕光电反馈环路中的关键噪声来源，团队自主研制了低噪声程控电压基准源、低噪声光电探测器和低噪声泵浦驱动源等核心电学器件，并结合多层绝热、主动控温和光纤器件精密温度稳定技术，显著提升了激光放大系统的长期稳定性。最终，团队构建了超低噪声单频光纤激光放大器，在2.4 W输出功率下实现了0.1 mHz~1 Hz频段外环相对强度噪声低于6×10-5/√ Hz，达到国际领先水平，为空间引力波探测星载低噪声激光光源研制提供了重要技术支撑。

图5 极低频段激光放大器相对强度噪声

参考文献： 中国光学期刊网

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