面向空間引力波探測的低噪聲激光器研究進展（特邀）

柳強，王在淵，王潔浩，李宇航

（1 清華大學精密儀器系，北京 100084）

（2 光子測控技術教育部重點實驗室，北京 100084）

0 引言

愛因斯坦在1916 年發(fā)表的廣義相對論中預言了引力波的存在［1］。由于引力波信號非常微弱，需要靈敏度極高的探測器才能探測。在經(jīng)歷了以韋伯共振棒為代表的引力波探測器的失敗后［2］，人們提出了用激光干涉儀探測引力波的構想［3］。2015 年，利用靈敏度為10-23量級的第二代激光干涉儀引力波探測器（advanced LIGO，aLIGO），人類探測到第一個引力波事例GW50914［4］。至今，以LIGO 為代表的地面激光干涉儀引力波探測器已經(jīng)探測到50 多個引力波事例［5］。事實證明，激光干涉儀（Laser Interferometer）探測靈敏度高，頻帶寬度大，具有廣闊的發(fā)展前景，是目前引力波探測器中的主流設備［6］。引力波已經(jīng)成為人類觀測宇宙的新窗口，開展引力波探測對研究宇宙的起源和進化具有重要的意義，是當代物理學重要的前沿領域之一［7］。

引力波覆蓋的頻率范圍非常寬，在低頻段存在更高紅移、更大特征質量和尺度的引力波波源。如正在吞噬周圍天體的超大質量黑洞，由于其輻射的引力波頻率較低，一般為mHz 量級［6］，受限于地表震動、引力梯度噪聲等因素的影響，采用地面引力波探測器難以實現(xiàn)低頻段的引力波探測。1990 年，歐洲空間局（European Space Agency，ESA）提出用激光干涉儀空間天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）探測低頻段的引力波［8］。其原理是利用空間相距十萬甚至上百萬千米的測試質量把引力波信號轉化為測試質量間距變化的信號，然后利用高精度的激光干涉儀測量出該變化信號。因此，高精度的空間激光干涉測距系統(tǒng)，是獲取引力波信號的直接手段［7］。

激光器作為激光干涉儀的核心組件，其性能對空間引力波探測器的靈敏度具有十分重要的影響。例如，進入激光干涉儀的激光功率大小決定了引力波探測器的散粒噪聲；激光的功率波動導致測試質量位置的波動，產生輻射壓力噪聲；激光的頻率波動會轉化為功率波動，不僅產生輻射壓力噪聲，還直接影響星間應答式激光干涉測量精度；此外，空間環(huán)境對激光器的力學、熱學和抗輻射性能等環(huán)境適應性都提出很高要求［9］。針對空間引力波探測器的任務需求，各國研究機構積極開展低噪聲激光器相關技術的研究，在結構設計、輸出功率、強度噪聲抑制和頻率噪聲抑制等方面已經(jīng)取得重要的進展。本文針對國內外空間引力波探測器中的低噪聲激光器的研究進行了梳理和歸納，分析比較了不同類型低噪聲激光器的性能，并對國內用于空間引力波探測的低噪聲激光器研究進行了展望。

1 空間引力波探測器簡介

與地面引力波探測器相比，空間引力波探測器可以消除地面震動噪聲的干擾，省略造價高昂的真空管道，還可以把激光干涉儀的臂長做得很長，極大地提高了引力波探測器的位置靈敏度，可以探測到更弱的、頻率更低的引力波。除LISA 外，目前在研的空間引力波探測器還包括日本的分赫茲干涉引力波天文臺（DECIGO）［10］、中國的天琴計劃［11］和太極計劃［12］。圖1 為空間引力波探測器部署示意圖，其中，LISA、DECIGO 和太極計劃采用日心地球軌道運行，天琴計劃采用地心軌道運行。LISA、太極計劃和天琴計劃采用在空間部署三顆全同衛(wèi)星構成等邊三角形星座的方案，而DECIGO 由四個等邊三角形星座組成，其中兩個星座部署在同一位置，另外兩個星座等角度分布在日心軌道上。

圖1 空間引力波探測器部署示意圖［13］Fig.1 Schematic of space-based gravitational wave detector constellations［13］

表1 歸納了空間引力波探測器的設計參數(shù)。在四種空間引力波探測器中，DECIGO 的臂長最短，利用星間法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）諧振腔探測0.1 Hz～10 Hz 的引力波，彌補了地基引力波探測器（LIGO）和空間引力波探測器（LISA、太極和天琴）之間的探測頻段間隙。與DECIGO 相比，LISA、太極和天琴的臂長更長，可達上百萬千米，需要采用星間應答式激光干涉測量技術［14］探測0.1 mHz～1 Hz 的引力波。

表1 空間激光干涉儀引力波探測器的設計參數(shù)Table 1 Design parameters for space-based gravitational wave detectors

2 空間引力波探測器對激光器的要求

空間引力波探測器對激光器的要求主要體現(xiàn)在激光波長、功率、線寬、相對強度噪聲和頻率噪聲等方面?？臻g引力波探測器采用星間應答式激光干涉測量技術，干涉臂長遠大于地面引力波探測器的臂長，為滿足星間長距離傳播的需求，減少激光在星間傳播中的損耗，應選擇發(fā)散角小、空間介質吸收率較低的激光。LISA、太極計劃和天琴計劃采用波長為1 064 nm 的激光，激光在星間傳播時避免了星際間等離子體的影響［7］。此類激光器技術相對成熟，具有很好的功率穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性和相位穩(wěn)定性，相關技術成熟，器件性能可靠，已經(jīng)成功地在LIGO 系統(tǒng)中得到應用。

根據(jù)空間引力波探測器的指標要求，LISA、太極計劃和天琴計劃要求的激光功率為2～5 W，主要關心引力波探測器響應頻段內（0.1 mHz～1 Hz）的強度噪聲和頻率噪聲，這是因為激光器的噪聲是空間引力波探測器的主要噪聲來源之一，是影響空間引力波探測器靈敏度的重要因素［15］。

由于光的量子性質，激光器發(fā)射的光子數(shù)存在統(tǒng)計漲落，在時域上表現(xiàn)為激光功率的波動，在頻域上表現(xiàn)為激光的強度噪聲。當激光束進入空間引力波探測器時，在與光電探測器和測試質量的相互作用中產生的噪聲稱為光量子噪聲，通常表現(xiàn)為散粒噪聲和輻射壓力噪聲。散粒噪聲是光電探測器中的強度量子噪聲，在高頻區(qū)域占主導地位；輻射壓力噪聲是從測試質量反射的光子的動量轉移產生的，在低頻區(qū)域占主導地位［15］。

當激光束進入光電探測器時，產生的光電流也存在漲落，即在引力波探測器的讀出端引起噪聲，稱為散粒噪聲，其大小用譜密度表示為［15］

由于光子具有動量，當大量光子撞擊懸浮在真空中的測試質量時，光子的動量傳遞給測試質量，產生的作用力稱為光輻射壓力。由于光子數(shù)的統(tǒng)計漲落，光輻射壓力隨時間變化而變化，繼而引起測試質量位置的波動，形成輻射壓力噪聲，其大小用譜密度表示為［15］

由式（1）和式（2）知，增大輸入激光的功率，可降低高頻處的散粒噪聲，但低頻處的輻射壓力噪聲就會增加。在激光功率不是非常大的情況下，散粒噪聲和輻射壓力噪聲無關，光量子噪聲的大小可表示為兩種噪聲之和，即

對于引力波探測器覆蓋的頻率范圍來說，當散粒噪聲與輻射壓力噪聲相等時，光量子噪聲最小，稱為標準量子極限hSQL(f)，其大小僅與激光干涉儀的具體參數(shù)（臂長、測試質量）有關［15］。

空間引力波探測器采用星間應答式激光干涉測量技術，通過精確測量星間激光傳播路徑的相位改變量Δφ來測量星間激光干涉儀的臂長變化量ΔL，即［16］

由式（4）可知，激光的頻率波動是引力波探測器測量噪聲的一個直接來源。激光頻率不穩(wěn)定性可以用光譜學中的線寬、時域中的艾倫方差和頻域中的功率譜密度（或幅度譜密度）來描述［16］。激光線寬描述的是光譜學中的頻率分辨率，艾倫方差描述的是激光頻率的時間穩(wěn)定性，功率譜密度是激光頻率噪聲平方的傅里葉變換［16］。三者從不同角度描述了激光的頻率波動，線寬越窄，代表著更好的單色性和時間相干性，其頻率噪聲也較低。例如，LIGO 中激光器的頻率穩(wěn)定性要求達到10-8～10-9量級［17］，LISA 中激光器的頻率噪聲要求達到30 Hz Hz @10 mHz 量級，我國“引力波探測”重點專項申報指南中，要求種子激光器的線寬小于2 kHz，頻率漂移小于1 MHz/min。

由于星間應答式激光干涉測量技術需要在各衛(wèi)星間傳輸參考時鐘信息，便于利用鎖臂技術（Armlocking Technique）和時間延遲干涉（Time-delay Interferometry，TDI）等技術消除頻率噪聲的影響，需要在傳輸光路中增加一個電光相位調制器，利用其2.4 GHz 邊帶實現(xiàn)參考時鐘信息的傳輸。由于GHz 量級的相位調制只能通過波導電光調制器實現(xiàn)，其承受功率約為200 mW，遠低于激光器的輸出功率，因此，不能在輸出光路中直接添加波導電光調制器。采用主控振蕩功率放大（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA）的激光器設計可以很好地解決該問題，是最有前景的激光器選擇之一［18］。

綜上分析，激光器的輸出功率、強度噪聲和頻率噪聲對空間引力波探測器的靈敏度具有十分重要的影響。用于空間引力波探測器的激光器需要具有合適的激光功率、強度噪聲低、單頻運轉和頻率噪聲低等特性。表2 列舉了LISA、DECIGO、天琴和太極四種空間引力波探測器的低噪聲激光器關鍵參數(shù)。

表2 空間引力波探測器的低噪聲激光器關鍵參數(shù)Table 2 Key parameters of low-noise lasers for space-based gravitational wave detector

3 國外空間引力波探測器中的低噪聲激光器研究進展

3.1 LISA 中的低噪聲激光器研究進展

LISA 是最早提出的、發(fā)展最久的空間引力波探測計劃，LISA 中的低噪聲激光器由NASA 戈達德太空飛行中心研制，主要挑戰(zhàn)來自于激光的偏振特性、單頻運轉以及對功率穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性的高要求。為實現(xiàn)這些目標，一般采用技術成熟、操控方便、內部噪聲低、功率穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性都較好的MOPA 激光器。其結構原理如圖2 所示，其中，主控振蕩器采用低功率、低噪聲的單頻激光器，功率放大器采用光纖放大器，二者進行獨立控制，可在保持種子激光良好特性的同時獲得較大的功率輸出。針對LISA 的任務需要，人們研究比較了非平面環(huán)形振蕩器（Nonplanar Ring Oscillator，NPRO）［19］、光纖激光器、外腔半導體激光器（External Cavity Diode Laser，ECDL）［20］等不同主控振蕩器注入的低噪聲MOPA 激光器，在激光器的結構設計、低噪聲性能、環(huán)境實驗和空間運行可靠性等方面取得了重要的進展［21］。

圖2 MOPA 結構的低噪聲激光器原理圖Fig.2 Schematic of low-noise MOPA laser

3.1.1 NPRO 注入的MOPA 激光器

NPRO 是KANE T J 等在1985 年提出的由單塊Nd∶YAG 晶體構成的振蕩器［19］。如圖3 所示，NPRO 采用一體化結構，激光束在晶體內部單向傳播，傳播路徑在不同平面內，能夠有效地避免空間燒孔效應帶來的影響。因此，NPRO 可以獲得功率穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性都比較好的窄線寬單頻激光。NPRO 在引力波探測項目中得到了廣泛的應用，如aLIGO 中采用NPRO 注入的MOPA 激光器；輸出功率為35 mW 的NPRO 經(jīng)過了空間試驗，在LISA Pathfinder 項目中進行了驗證［22］。

圖3 NPRO 激光器結構圖Fig.3 Schematic of NPRO

2005 年，德國漢諾威激光中心研制了輸出功率為1 W 的MOPA 激光器［23］。主控振蕩器采用商用的低功率NPRO（Mephisto 800，Innolight），光纖放大器采用雙包層摻鐿光纖（長3 m，芯徑5.2 μm，NA=0.15），利用光纖耦合的976 nm LD 進行后向泵浦。當激光注入功率為10 mW，泵浦功率為8.3 W 時，輸出激光功率為1 W。2014 年，ESA 為下一代重力任務（Next Generation Gravity Mission，NGGM）研制了高穩(wěn)定性激光器（High Stability Laser，HSL）［24］，如圖4 所示，主控振蕩器采用經(jīng)過空間任務（Tesat）驗證的NPRO，注入功率為25 mW，放大器輸出功率＞500 mW。在該激光器中，采用光電反饋控制技術穩(wěn)定激光功率，利用超穩(wěn)光學諧振腔鎖定激光頻率，對泵浦LD 和光纖器件分別進行溫度控制，獲得了滿足NGGM 技術要求的低噪聲激光。NGGM 的激光參數(shù)與LISA 的要求非常相似，采用的噪聲抑制、溫度控制等技術也可以用于LISA 和其他激光干涉儀的激光器研究。

圖4 NGGM 中的HSL 原理樣機Fig.4 HSL prototype for NGGM at NPL laboratories

受空間航天器環(huán)境的限制，用于空間引力波探測器的激光器在體積、重量和功耗等方面有嚴格的約束，要求激光器體積小、重量輕、功耗低。2019 年，NASA GSFC 的NUMATA K 等研究了采用低功率的單?；虻碗A多模LD 泵浦的蝶形封裝的微型NPRO（m-NPRO）的性能［18］。m-NPRO 的尺寸較小，晶體內光束往返路徑短，自由光譜范圍大，無跳模調諧范圍更廣，且m-NPRO 的熱效應更小，溫度控制的魯棒性更好，因此，m-NPRO 比傳統(tǒng)NPRO 具有更多的優(yōu)勢和應用前景。圖5（a）和圖5（b）分別為m-NPRO 和光纖放大器的實物圖，其中，m-NPRO 由Avo Photonics 生產封裝，輸出功率為200 mW，光纖放大器采用長為2.3 m、芯徑為10 μm 的雙包層摻鐿增益光纖，利用波長為976 nm 的LD 正向泵浦，得到輸出功率2.5 W 的1 064 nm 激光。2021 年7 月，Avo Photonics 對m-NPRO 進行了升級，頻率噪聲性能得到更好地控制，達到103Hz Hz@10-4Hz 和5 Hz Hz@104Hz 的水平［25］。鑒于m-NPRO 激光器具有良好的頻率噪聲和相對強度噪聲性能，研究人員正在對其進行全面的測試，驗證其是否滿足LISA 系統(tǒng)的所有要求。

圖5 蝶形封裝的m-NPRO 和光纖放大器Fig.5 Delivered m-NPRO packages and photo of the baseline fiber amplifier

3.1.2 全光纖結構的低噪聲激光器

光纖激光器憑借特殊的光波導結構，在熱管理、光束質量控制以及系統(tǒng)集成性和穩(wěn)定性等方面展現(xiàn)出顯著的應用優(yōu)勢［26-36］。與固體激光器相比，光纖激光器的魯棒性和轉換效率更高。為滿足引力波探測器的應用需求，人們開展了單頻、窄線寬、低噪聲光纖激光器的研究。

2005 年，TR?BS M 研究了一種用于LISA 的分布反饋光纖（Distributed Feedback Fiber，DFB）激光器及光纖放大系統(tǒng)［27］，其中，DFB 激光器的型號為Y10（Koheras），輸出功率為7.9 mW，光纖放大器采用雙包層摻鐿增益光纖，利用980 nm 多模LD 泵浦，得到輸出功率為1 W 的激光。自由運轉時，光纖激光器的頻率噪聲在＜100 Hz 頻段與NPRO 相當，在＞100 Hz 頻段比NPRO 高3 個量級。采用Pound-Drever-Hall 技術穩(wěn)頻后，穩(wěn)頻帶寬內的頻率噪聲得到有效抑制，除0.1 Hz 附近外，其他頻段噪聲性能滿足LISA 的技術要求。2010 年，NASA 的NUMATA K 為LISA 研究了一種環(huán)形光纖激光器［28］，泵浦LD 采用單縱模穩(wěn)波長的976 nm 激光器，增益光纖采用長度為40 cm 的雙包層單模保偏摻鐿光纖，采用纖芯泵浦，實現(xiàn)了無跳模運行。圖6 所示為環(huán)形光纖激光器與商用NPRO 的頻率噪聲和相對強度噪聲性能。從圖中可以看出，在＜1 kHz頻段，環(huán)形光纖激光器的頻率噪聲與NPRO 相當，相對強度噪聲優(yōu)于NPRO。在弛豫振蕩峰（～40 kHz）附近，其頻率噪聲和相對強度噪聲遠高于商用NPRO。

圖6 環(huán)形光纖激光器和NPRO 的噪聲性能比較Fig.6 RIN and frequency noise of fiber laser and NPRO

雖然光纖激光器在低頻段與NPRO 激光器有類似的噪聲性能，但由于弛豫振蕩效應，在MHz 頻段會出現(xiàn)放大的相對強度噪聲尖峰，該頻段的相對強度噪聲影響激光外差干涉測量，限制了光纖激光器在空間引力波探測器中的應用。

3.1.3 ECDL 注入的MOPA 激光器

ECDL 具有線寬窄、調諧范圍寬、單模輸出、輸出功率高等優(yōu)良特性，在干涉測量技術［29］、相干光通信［20］、原子鐘［30］等領域有著廣泛的應用。2010 年，NUMATA K 等研究了1 550 nm 平面波導外腔激光器（PWECL）的噪聲性能，0.1 mHz～100 kHz 頻段的噪聲性能與NPRO 激光器相當，適用于精密測量和空間任務等應用，已經(jīng)用在國際空間站光學測試平臺和集成（OpTIIX）項目上［31］。2014 年，NUMATA K 等首次研究了蝶形封裝的1 064 nm PW-ECL 的特性［32］，通過精密實驗評估了激光器性能，比較了PW-ECL 工作在27.8 ℃和29.4 ℃時與NPRO 的相對強度噪聲和頻率噪聲，如圖7，在＜3 MHz 的范圍內，PW-ECL 的強度噪聲優(yōu)于NPRO 激光器；對于頻率噪聲，在低于0.1 Hz 范圍內，PW-ECL 的頻率噪聲與NPRO 相當，但高頻處的頻率噪聲比NPRO 至少高1 個量級。

圖7 PW-ECL 和NPRO 的噪聲性能Fig.7 RIN and frequency noise of PW-ECL and NPRO

2018 年，DAHL K 等為LISA 研制了PW-ECL 注入光纖放大器的MOPA 激光器［33］，如圖8 所示。PWECL 的輸出經(jīng)半導體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）進行預放大，注入光纖放大器的激光功率約300 mW，放大后得到2.1 W 的輸出功率。在該系統(tǒng)中，通過分束器把部分種子激光接入頻率穩(wěn)定系統(tǒng)，利用參考腔和Pound-Drever-Hall 技術鎖定PW-ECL 的激光頻率，頻率噪聲約為20 Hz Hz@1Hz。雖然PW-ECL 具有結構緊湊、成本低等優(yōu)點，但是其頻率噪聲依然比LISA 的要求以及NPRO 的頻率噪聲高，目前還沒有更好的方法降低其頻率噪聲。

圖8 PW-ECL 注入的MOPA 激光器Fig.8 Schematic layout and photograph of the micro-integrated PW-ECL

從激光器的結構尺寸和噪聲性能等方面來看，m-NPRO 是目前最優(yōu)的主控振蕩器。通過優(yōu)化結構設計和封裝，m-NPRO 可以滿足除差分位相噪聲之外的所有要求，因此，m-NPRO 注入的MOPA 激光器是LISA中低噪聲激光器的最優(yōu)方案。2021 年5 月，NASA 為LISA 交付了第一臺原型激光器［34］，如圖9 所示。其中，低噪聲主控振蕩器由Avo Photonics 研制，光纖放大器由Fibertek 研制，輸出功率為2 W，該激光器由瑞士電子與微技術中心進行測試。

圖9 LISA 第一臺低噪聲激光器原型樣機Fig.9 The first prototype of a laser for LISA

3.2 DECIGO 中的激光器研究

DECIGO 是由日本發(fā)起的空間引力波探測計劃，計劃在日心軌道上部署臂長為1 000 km 的激光干涉儀，探測0.1～10 Hz 頻段的引力波，彌補LIGO 與LISA 之間的頻段范圍，計劃于2030 年左右發(fā)射［35］。DECIGO 采用MOPA 結構的激光器，主控振蕩器的波長為1 030 nm，激光經(jīng)光纖放大器放大后進行頻率變換，輸出515 nm 的激光，其原理如圖10 所示。

圖10 DECIGO 碘穩(wěn)頻激光器的原理圖Fig.10 Schematic diagram of I2-stabilized laser for DECIGO

DECIGO 的激光器由日本電器通信大學激光科學研究所研制。2012 年，MUSHA M 等采用DFB 光纖激光器（波長1 030 nm，輸出功率10 mW）作為主控振蕩器，注入光纖放大器后輸出功率為200 mW 的1 030 nm 激光，倍頻后得到20 mW 的515 nm 激光。利用碘吸收穩(wěn)頻技術，頻率噪聲可達1 Hz Hz@1Hz，符合DECIGO 的技術要求［36］。2017 年，SUEMASA A 等研究了輸出功率為43 mW 的515 nm 穩(wěn)頻激光器，頻率噪聲性能達0.4 Hz Hz@1 Hz，外環(huán)強度噪聲達1.2×10-7Hz @1Hz。為提升輸出激光的功率，SUEMASA A 等設計了一個兩級的光纖放大器［37］，如圖11 所示，第1 級為預放大器，采用長度為1.5 m 的保偏增益光纖，由976 nm 的LD 進行纖芯泵浦，得到最大功率為420 mW 的激光輸出，第2 級功率放大器的增益光纖長度為3 m，利用多模976 nm 的LD 進行包層泵浦，得到10 W 的1 030 nm 激光，經(jīng)倍頻后輸出2 W的515 nm 激光，利用碘吸收穩(wěn)頻后，短期頻率噪聲性能達30 Hz Hz@1Hz，長期頻率穩(wěn)定性可達1.2×10-14。

圖11 DECIGO 中的光纖放大器Fig.11 Schematic diagram of fiber amplifier for DECIGO

DECIGO 的激光器已經(jīng)實現(xiàn)了其技術試驗任務B-DECIGO 對激光功率、頻率噪聲和強度噪聲的需求。接下來的工作是改進激光器的結構設計，提高機械穩(wěn)定性和堅固性，提高515 nm 激光的輸出功率至10 W，并通過主動控制技術進一步降低頻率噪聲和強度噪聲，滿足DECIGO 空間任務的要求。

4 國內空間引力波探測器中的激光器研究進展

我國從20 世紀70 年代開始引力波探測器的研制，并于本世紀初布局空間慣性傳感、星間激光干涉測量等空間引力波探測核心技術的研究［33］。2020 年和2021 年，圍繞空間引力波探測的重大科學問題和瓶頸技術，分別有15 項和13 項重點專項任務立項?？臻g引力波探測的相關研究成為國內高校和科研機構的研究熱點。目前，國內空間引力波探測計劃有天琴計劃和太極計劃，均采用在空間部署三顆衛(wèi)星的結構，如圖1所示，天琴計劃采用地心軌道運行，星間距離為17 萬千米；太極計劃采用與LISA 一樣的日心軌道運行，星間距離為300 萬千米，激光干涉儀的臂長最長，探測靈敏度也是最高的。

4.1 天琴計劃中的激光器研究

2014 年3 月24 日，中山大學提出天琴計劃，并于2015 年7 月啟動，計劃于2035 年前后發(fā)射，目標是實現(xiàn)對10-4～1 Hz 頻段空間引力波的探測［11］。2019 年12 月20 日，天琴1 號試驗衛(wèi)星成功發(fā)射，現(xiàn)已圓滿完成6 個月的試驗任務，試驗結果優(yōu)于任務驗收指標［38］。在天琴1 號試驗星中，中山大學采用自制的DBR 激光器進行在軌驗證激光功率、溫度控制等技術。圖12 為激光器實物和結構圖，采用蝶形封裝，內部集成了光隔離器、TEC、熱敏電阻等組件，利用自研的電路控制系統(tǒng)實現(xiàn)激光器內部的精確控溫和功率穩(wěn)定輸出［39］。經(jīng)過功率穩(wěn)定后，激光器輸出功率為18 mW，功率漂移為0.6 mW/h。

圖12 天琴1 號試驗星中的DBR 激光器Fig.12 DBR laser head and schematic of the internal structure for Tianqin-1 mission

為驗證自制的DBR 激光的性能，確保激光干涉儀有效載荷的可靠性，天琴1 號試驗星同時搭載了一個商用的RIO 激光器作為備份，該激光器具有窄線寬（～15 kHz）、波長穩(wěn)定性好、更低的相對強度噪聲和位相噪聲等優(yōu)點。RIO 激光器輸出功率為21 mW，功率漂移為0.8 mW/h。在軌試驗結果表明，激光干涉儀可以測到0.5 nm 的位移，分辨率約25 pm，位移噪聲約為30 pm/ Hz@0.1 Hz，DBR 激光器和RIO 激光器均能滿足天琴1 號任務需求。

天琴計劃需要單頻運轉、波長為1 064 nm、輸出功率為4 W、頻率噪聲低于10 Hz/ Hz@10 mHz 的激光。為實現(xiàn)該目標，激光器的最終方案傾向于采用窄線寬、低噪聲NPRO 激光器作為主控振蕩器、光纖放大器作為功率放大的MOPA 結構設計。

4.2 太極計劃中的激光器研究

2016 年，中國科學院正式提出并啟動了太極計劃，探測頻段為0.1 mHz～1 Hz，計劃在2033 年前后發(fā)射。2019 年8 月31 日，繞地球軌道運行的太極1 號衛(wèi)星成功發(fā)射，主要驗證了空間引力波探測技術路線的可行性，同時對部分關鍵技術進行在軌測試，如激光干涉儀、引力參考傳感器、單自由度航天器無拖曳控制等［40，41］。通過嚴格測試，太極1 號干涉測距精度達100 pm 量級，測試質量殘余加速度噪聲實測值達到10-9m·s-2/Hz1/2量級，實現(xiàn)了我國迄今為止最高精度的空間激光干涉測量。

在太極1 號星載激光干涉測量系統(tǒng)中，采用了808nm LD 泵浦、激光線寬在百赫茲量級的高穩(wěn)定性NPRO 激光器［42］，圖13 所示為激光器的工作原理圖，激光由單模保偏光纖耦合輸出，經(jīng)隔離器后按1∶4 分束，其中，輸出端1 作為激光監(jiān)控端口，激光功率為10 mW，輸出端2 作為主要試驗端口，激光功率為40 mW。

圖13 太極1 號中激光器的工作原理Fig.13 Principle diagram of laser source for Taiji-1 satellite

5 激光器的噪聲抑制技術

激光器的噪聲性能直接決定了空間激光干涉引力波探測器的探測能力，因此，激光器的噪聲抑制對于空間引力波探測系統(tǒng)具有重要的意義。目前，激光器噪聲抑制的最大挑戰(zhàn)在于進一步降低低頻段的強度噪聲和頻率噪聲。

5.1 強度噪聲抑制技術

激光器的強度噪聲是指頻域上激光功率的波動情況，一般用相對強度噪聲（Relative Intensity Noies，RIN）來表示。激光器的強度噪聲在頻譜上可以分為低頻段的技術噪聲、中頻段的弛豫振蕩和高頻段的量子噪聲。在低頻段，技術噪聲的來源主要有外部環(huán)境的干擾、泵浦源的功率起伏等［43-53］。因此，可以通過降低外部環(huán)境干擾和抑制泵浦源功率起伏來降低低頻段的強度噪聲，除此之外，還可以通過直接穩(wěn)定激光器的輸出功率進一步降低低頻段的強度噪聲。

除了采取隔震、隔音、精確控溫等措施外，常采用光電反饋［44］、光學注入鎖定［45］、基于半導體光放大器（SOA）飽和效應［46］和光學模式清潔器［47］等方法抑制激光器的強度噪聲。在這些方法中，光電反饋是發(fā)展最早、技術最成熟和應用最廣泛的方法，其原理如圖14 所示，從輸出激光中提取部分功率，利用光電探測器把激光強度噪聲轉換成電壓信號噪聲，與電壓基準源比較得到誤差信號，誤差信號通過PID 反饋回路后，驅動執(zhí)行機構，實現(xiàn)激光器強度噪聲的抑制。在實際應用中，既可以采用電光調制器（Electro-Optic Modulator，EOM）或聲光調制器（Acoustic Optic Modulator，AOM）直接對激光器的輸出功率進行調制，也可以利用PID輸出的誤差信號調制泵浦LD 的驅動電源，還可以采用雙光電反饋回路分別控制激光輸出和泵浦LD 的驅動電源，最大程度地抑制激光器的強度噪聲。

圖14 基于光電反饋抑制強度噪聲原理圖Fig.14 Schematic of suppressing the intensity noise based on optoelectronic feedback control

早在1990 年，為滿足NASA 的應用需求，KANE T J 等采用光電反饋把LD 泵浦的YAG 激光器弛豫振蕩峰141 kHz 處的強度噪聲抑制了37 dB［48］。1993 年，哈佛大學BALL G A 等采用該方法調整泵浦LD 的電流，對單頻光纖激光器弛豫振蕩峰處的強度噪聲進行抑制，把182 kHz 處的強度噪聲從-82.1 dB Hz 降低至-121.1 dB Hz［49］。2003 年，山西大學張靖等利用雙光電反饋回路對YAG 激光器的泵浦電流和輸出激光功率分別進行控制，實現(xiàn)了在弛豫振蕩峰處40 dB 和低頻處20 dB 的抑制效果［50］。2009 年，德國馬普實驗室為滿足aLIGO 的應用需求，在光電反饋控制回路中采用電光調制器（EOM）、模式清潔器和高功率光電二極管陣列，對NPRO 激光器（輸出功率為500 mW）的強度噪聲進行抑制，獲得2.4×10-9Hz@10 Hz、1.8×10-9Hz@15 Hz 的噪聲水平［51］。2017 年，該實驗室采用AOM、模式清潔器和高功率光電二極管陣列，對放大后的激光（35 W）進行強度噪聲抑制，內環(huán)噪聲達到1.8×10-9Hz@100 Hz～1 kHz，外環(huán)噪聲達到2.6×10-9Hz@100 Hz～1 kHz 的世界最好水平［52］，實驗裝置和測量結果如圖15 所示。

圖15 強度噪聲抑制實驗裝置和測量結果Fig.15 Schematic of the experimental setup and measurement of the RPN

2021 年底，清華大學研究并測量了一種低噪聲、窄線寬、全保偏的MOPA 激光器，如圖16（a）所示，主控振蕩器采用自由運轉的NPRO 激光器，光纖放大器采用長為2 m 的雙包層摻鐿增益光纖，利用鎖波長的976 nm 多模LD 進行正向泵浦，輸出激光經(jīng)1/99 分束后，1%的光束進入內環(huán)（in-loop）探測，光電探測器輸出的電信號與商用PID 控制器（SIM960）的內部參考電壓進行比較，得到誤差信號，實時調整泵浦LD 的驅動電流，實現(xiàn)輸出激光的強度噪聲抑制。在輸出功率為2W 時，測得內環(huán)強度噪聲為-78.4 dBc Hz@1 mHz，外環(huán)強度噪聲為-63.8 dBc Hz@1 mHz 和-76.5 dBc Hz@0.1 Hz，在1 mHz～1 Hz 頻段內，外環(huán)強度噪聲均低于-60 dBc Hz。在實驗中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度變化和泵浦LD 的溫度控制精度對低頻段強度的噪聲影響較大，要進一步抑制低頻段的強度噪聲，不僅環(huán)境溫度漂移要小，還需要對泵浦LD 進行精確控溫。例如，文獻［39］中對天琴1 號任務中的激光器的內部溫度波動的功率譜要求為1 mK Hz@0.4 mHz，這對器件的溫度控制提出了很高的要求。因此，對于抑制強度噪聲，除了提高參考電壓的精度、優(yōu)化放大器結構設計和封裝外，對器件進行精確控溫是一種重要的技術手段。

圖16 清華大學研制的低噪聲激光器及測量結果Fig.16 Low-noise laser developed by Tsinghua University

5.2 頻率噪聲抑制技術

如前所述，激光器的頻率噪聲是引力波探測器噪聲直接來源之一，抑制激光頻率噪聲，可以有效地提高引力波探測器的靈敏度。由于環(huán)境溫度的起伏、氣壓變化、機械振動等都會造成激光頻率的漂移，采用隔振、隔音、精確控溫等被動措施可以在一定程度上抑制頻率噪聲。但是，這些被動措施很難保證激光頻率的長期穩(wěn)定性和復現(xiàn)性，要得到更優(yōu)異的頻率噪聲性能，通常采用主動反饋抑制技術，把激光頻率鎖定在噪聲極低、頻率穩(wěn)定度更高的參考頻率上［53］。主動抑制技術依據(jù)頻率參考標準分為兩種：一種是以原子或分子的躍遷譜線中心頻率為參考標準，包括蘭姆凹陷穩(wěn)頻技術［54］、原子光譜Zeeman 效應穩(wěn)頻技術［55］、原子或分子飽和吸收穩(wěn)頻技術［56］；另一種是以超穩(wěn)光學參考腔的共振頻率作為頻率參考標準，應用最多是Pound-Drever-Hall（PDH）穩(wěn)頻技術［57］。PDH 激光穩(wěn)頻技術具有伺服響應快、噪聲低等特點，是目前穩(wěn)頻技術中應用最廣泛、穩(wěn)頻效果最優(yōu)異的技術方法之一［58］。

圖17 為PDH 穩(wěn)頻的原理框圖，以法布里-珀羅腔（F-P 腔）的共振頻率為頻率基準，利用電光調制器（EOM）對激光進行相位調制，通過光電探測器探測共振腔的反射光，利用混頻器解調出反射光中的頻率失諧信息，即誤差信號，誤差信號經(jīng)過比例積分電路處理后，反饋到激光器的壓電陶瓷（PZT）或者其他頻率響應器件上，進行頻率補償［59］。在LIGO 和LISA 的激光器中，為降低頻率噪聲，均采用了PDH 技術把主控振蕩器的頻率鎖定在參考腔的共振頻率上。

圖17 PDH 技術穩(wěn)頻原理圖Fig.17 Schematic of the PDH laser frequency stabilization

利用PDH 穩(wěn)頻時，激光器的頻率穩(wěn)定度極大程度上取決于參考腔的頻率穩(wěn)定性。但是F-P 腔的長期穩(wěn)定性容易受外界環(huán)境擾動等因素的影響，使中心頻率易發(fā)生漂移，研究人員一直致力于提高F-P 腔的穩(wěn)定性，例如，選用低熱膨脹系數(shù)的腔材料、采取精密溫控、隔聲隔震等被動抑制措施、放置在真空環(huán)境中等，從而盡可能降低環(huán)境中震動、聲波、溫度等擾動的影響［68］。

圖18 PDH 和碘分子穩(wěn)頻系統(tǒng)的頻率噪聲比較Fig.18 Frequency noise spectral density between the PDH and the molecular iodine

6 總結與展望

空間激光干涉引力波探測器是引力波探測歷程中的一個嶄新的里程碑。在空間激光干涉引力波探測器中，低噪聲激光器是關鍵部件之一，其噪聲性能對引力波探測器的靈敏度具有重要的影響。綜合LISA、天琴和太極等空間引力波探測用的激光器研究結果看，在實驗室環(huán)境下，在激光功率、強度噪聲、頻率噪聲等方面已經(jīng)取得重要的進展；在空間環(huán)境下，LISA 探路者、天琴1 號、太極1 號等任務驗證了低噪聲激光器、超高精度干涉儀、無拖曳技術等，各項功能和性能滿足任務要求。下一階段的空間引力波探測任務需要構建星間激光干涉測量系統(tǒng)，要求激光器的激光功率足夠高、噪聲性能足夠低。目前，低噪聲的MOPA 激光器是最優(yōu)的方案，在NPRO、m-NPRO、PW-ECL 等不同的主控振蕩器中，以Avo Photonics 為LISA 研制的m-NPRO 激光器的噪聲性能最好，技術成熟度最高，對于光纖放大器，最成熟的方案是選用大模場面積的雙包層摻鐿光纖。

近年來，我國在空間引力波探器的低噪聲激光器研究方面也取得了階段性研究成果，為進一步提高激光器的性能，在激光器設計和噪聲抑制等方面還需要開展進一步的研究。在激光器設計方面，需要研究穩(wěn)定性更好、噪聲性能更低的主控振蕩器和性能更優(yōu)的光纖放大器，例如，采用單晶光纖或硅酸鹽光纖的放大器，后者可以大大縮短增益光纖的長度。對于激光器的強度噪聲性能，除采用隔振、隔音、精確控溫等措施降低環(huán)境干擾外，還需要采用光電反饋控制等多種技術進一步抑制強度噪聲。對于激光器的頻率噪聲，除了采用PDH 技術進行預穩(wěn)定外，為達到空間引力波探測器的需求，還可以通過邊帶鎖定、碘分子吸收等方法進一步抑制低頻段的頻率噪聲，并通過鎖臂技術（arm-locking）或雙鎖臂技術（dual arm locking）對激光頻率不穩(wěn)定性進行進一步壓制，最后通過TDI（Time Delay Interferometer）技術實現(xiàn)空間引力波探測器的頻率噪聲要求。另外，考慮到空間輻照對光纖器件的影響，增益光纖會產生色心效應，使光纖放大器的損耗增加，光學性能下降，影響激光器的穩(wěn)定性和使用壽命，因此，亟需開展相關實驗研究，厘清空間輻照對激光器性能影響的規(guī)律，為激光器抗輻照設計和下一步空間任務奠定基礎。