晶体AlGaAs反射镜实现激光频率稳定性新纪录

基于低温硅谐振腔的超稳激光器在光学频率测量技术和量子科学领域取得了显著进展。实现更稳定的光学参考谐振腔的关键在于使用晶体AlGaAs(铝镓砷，一种III-V族半导体化合物)反射镜层。由于其机械损耗更低，其布朗噪声明显小于传统介质反射镜。这些涂层有望进一步提升激光器乃至未来引力波探测器的稳定性。然而，AlGaAs层中此前尚未理解的额外噪声源导致其稳定性一直未能超越传统涂层。

与美国博尔德市JILA/NIST叶军研究小组合作，我们首次成功克服了这一障碍。采用新型镀膜工艺制备的一对晶体AlGaAs反射镜，在17 K温度下6厘米长的低温硅谐振腔中，实现了1秒平均时间2.5 × 10⁻¹⁷的相对频率稳定性。这证明AlGaAs涂层的机械损耗系数比传统反射镜低十倍以上——充分展示了这种晶体涂层的巨大潜力。

通过将该激光器与第二个基于传统低温硅谐振腔稳定化的激光器的光学频率进行平均，稳定性进一步提升至10⁻¹⁷量级，并可用于光学钟的探询。此外，对四个低温硅谐振腔长达十年的长期测量表明，此类谐振腔的频率漂移在每秒几十微赫兹量级，相当于10⁻²⁰/秒的相对长度变化。

我们的成果为实现相对频率稳定性达10⁻¹⁸的谐振腔稳频激光器，以及采用连续运行光学本振器的纯光学时间尺度，开辟了现实前景。