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更新時間：2025-09-19
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在日常生活中，激光技術已經無處不在——從超市掃碼槍到醫療美容，從光纖通信到工業切割。然而，在科研和應用領域，普通激光器的性能還遠遠不夠。
想象一下，如果激光的頻率總是飄忽不定，就像唱歌走調的歌手，那么依賴激光進行精密測量的科學家將會多么頭疼。這就是為什么我們需要激光穩頻技術——讓激光的頻率「穩如泰山」。
在眾多穩頻技術中，Pound-Drever-Hall（PDH）技術憑借其性能脫穎而出，成為當今主流的激光穩頻方案之一。PDH技術得名于三位物理學大師：Pound、Drever和Hall。無論是探測引力波還是建造原子鐘，都離不開這項關鍵技術。
激光頻率是由激光器諧振腔的有效長度決定的。自由運轉的激光器會受到外部振動、溫度變化等多種因素的影響，導致頻率隨時間波動和漂移。商用單頻激光器的頻率漂移可達兆赫茲到吉赫茲級別，線寬在千赫茲到兆赫茲量級。
這就好比一個精心調音的鋼琴，在溫度和濕度變化下，琴弦會松弛或緊繃，導致音準偏離?？茖W家們需要一種方法來持續「調音」，讓激光頻率保持穩定。
PDH技術的核心是使用法布里-珀羅（F-P）腔作為光學鑒頻器。F-P腔本質上是兩面互相平行且保持固定間距的反射鏡，具有非凡的選頻特性。
整個PDH系統可分為光學鑒頻和電子學伺服兩大部分：
關鍵步驟：
當激光注入F-P腔時，只有特定頻率的光能夠高效透過，其他頻率的光則被反射。
F-P腔的性能主要由三個參數衡量：
其中R是鏡面反射率，是激光頻率與腔諧振頻率的失諧量，是自由光譜范圍。
高精細度的F-P腔可以提供極其尖銳的傳輸峰，相當于一把極其精密的光學尺子，能夠檢測出極微小的頻率變化。
F-P腔的透射（藍）和反射（紅）光譜，顯示出明顯的選頻特性
F-P腔反射系數的幅度（上）和相位（下）響應，相位響應提供了頻率失諧的方向信息
PDH技術巧妙地將激光頻率的微小變化轉換為可測量的電信號，整個過程分為三個關鍵步驟：
激光首先通過電光調制器（EOM）進行相位調制。忽略二階及高階邊帶影響，則經過調制后的激光電場可以表示為：
這相當于在原始激光頻率（載波）兩側產生了一對邊帶，就像音樂中的主音和泛音的關系。
調制后的激光注入F-P腔，反射光攜帶了頻率失諧信息。鑒頻信號是來自于光腔反射端的，假設上述三種光束都是獨立傳播，那么反射光的數學形式可表示為三種入射光分別乘以各自反射系數并求和。反射光電場為：
經過光電轉換和一系列推導，我們最終得到的反射信號中含有反映頻率失諧量的項：
其中為載波功率，為邊帶功率，包含了激光頻率失諧的大小和方向信息。
解調出的誤差信號被送入反饋系統，通過壓電陶瓷（PZT）或其他執行機構調整激光器的腔長或其它參數，從而將激光頻率「鎖定的」在F-P腔的諧振峰上。
這就好比一個自動調音系統，實時檢測音準偏差并微調琴弦張力，保持音準穩定。
典型的PDH鑒頻信號，中心過零點即為鎖頻點
PDH技術的鑒頻靈敏度（斜率）是一個關鍵指標，直接影響穩頻效果。靈敏度公式為：
從中可以看出，提高系統靈敏度有四條途徑：
J?(β)J?(β)隨調制深度的變化關系，β=1.082時達到最大值
由圖像可知，J?(β)J?(β)在β=1.082時達到最大值。
不同調制頻率下的鑒頻信號
由圖像可知，調制頻率越高，主峰與邊帶峰分離越遠，更容易捕獲和鎖定。
不同調制深度下的鑒頻信號
由圖像可知，調制深度影響邊帶功率，進而影響誤差信號幅度，通常取β=1.082時優。
不同腔鏡反射率下的鑒頻信號
由圖像以及精細度與腔鏡反射率R的關系公式可知，腔鏡反射率R越大，精細度越高，諧振峰越尖銳，誤差信號斜率越大，系統靈敏度越高。通過合理選擇這些參數，可以顯著提升PDH系統的性能。
傳統PDH系統使用模擬器件，存在體積大、控制固化等缺點。隨著現場可編程門陣列（FPGA）技術的發展，數字化PDH技術正在成為研究熱點。
基于FPGA的數字化方案具有明顯優勢：
數字化PDH技術不僅保持了傳統方法的性能，還增加了自動尋峰、狀態切換、失鎖重鎖等智能功能，大大降低了操作難度。
PDH技術的最著名應用當屬引力波探測。LIGO項目使用PDH技術將激光線寬壓窄至100Hz以下，從而能夠探測到極其微弱的引力波信號。
除此之外，PDH技術還在以下領域大顯身手：
隨著數字化和小型化技術的發展，曾經需要整個實驗室的PDH穩頻系統現在可以做到手機大小，為野外測量和空間應用開辟了新天地。
PDH技術仍在不斷發展中。未來的研究方向包括：
從1983年發展至今，PDH技術已經走過了近40年的歷程，但它仍然充滿活力。隨著新技術和新材料的出現，這項經典技術將繼續煥發青春，為科學研究和工程應用提供強大支撐。
下次當你在超市掃描二維碼時，不妨想一想：這束小小的紅光背后，是科學家們如何精益求精，讓激光「穩如泰山」的智慧結晶。
參考文獻
[1]曹開明.基于PDH技術的激光穩頻控制研究與實現[D].南昌大學,2024.
[2]公眾號.青硯拾光
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