以下文章转载自“微纳光子技术”
研究背景
超稳激光器是现代精密测量的核心工具，广泛应用于光原子钟、高分辨率光谱学、超低噪声微波合成、长基线干涉仪以及引力波探测等前沿领域。传统上，超稳激光的实现依赖于法布里-珀罗（F-P）参考腔，这类腔体虽能实现亚10mHz的激光线宽和优于1×10⁻¹⁶的频率稳定度，但其制备工艺复杂、体积庞大，且需要超高真空、精密温控和复杂的隔振系统才能达到理论极限。这些严苛的环境要求不仅增加了系统的复杂性和成本，更严重制约了其在实验室之外的应用。
与此同时，随着便携式光原子钟、地质测量、遥感、导航以及小型化光子微波振荡器等新兴应用的兴起，对能够在恶劣环境下可靠运行的高性能超稳激光器的需求日益迫切。这些应用迫切需要兼具高稳定性、轻量化、高鲁棒性的激光系统，为下一代精密测量技术开辟新的可能性。
创新研究
针对这一挑战，北京大学物理学院杨起帆研究员课题组与北京大学长三角光电科学研究院微纳光精准检测研究室合作提出了一种基于MgF₂晶体回音壁模式（WGM）微腔的紧凑型超稳参考腔方案。该器件通过精密的机械研磨抛光工艺制备，实现了2.24×10⁹的超高加载品质因子（Q值），并采用紧凑的封装结构（48mm×78mm×98mm）和保偏光纤耦合设计，使其能够在常温环境下稳定工作。利用该参考腔对商用光纤激光器进行稳频，实现了4Hz的积分线宽和2.5×10⁻¹⁴（10ms平均时间）的分数频率稳定度，这是首次在常温环境下基于紧凑型参考腔实现赫兹级积分线宽激光输出的报道。
相关成果以“Hertz-integral-linewidthlasersbasedonportablesolid-statemicroresonators”为题发表于《PhotonicsResearch》期刊，并获评为（Editor's Pick）。
研究内容与亮点
1. 精密制备：高品质因子MgF₂微腔
研究团队选用低吸收、低热折系数的单晶MgF₂材料，通过多步机械研磨与抛光工艺，制备出直径约30 mm的碟形微腔（图1）。腔体横截面被精心设计为曲率半径281μm的圆弧形，有效模场面积达709μm²。这种大模场面积与MgF₂材料低热折系数的结合，显著降低了热折噪声。经过精细的抛光处理，最终实现了2.24×10⁹的超高加载Q值，且在整个近100nm波长范围内（S、C、L波段）均能保持1×10⁹以上的高Q值。
图1：MgF₂微腔制备与表征 (a) 微腔实物图与横截面显微图像；(b) 振铃曲线测得Q值为2.24×10⁹；(c) 单个自由光谱范围内的透射谱，显示仅有少数模式；(d) 不同波长下的加载Q值。
2. 紧凑封装：即插即用的高鲁棒性设计
为了实现实验室外的可靠应用，研究团队对微腔进行了系统性封装（图2）。封装结构采用铝制外壳，内部集成了温度控制系统，通过PID控制器将腔体温度稳定在热折噪声最低的工作点。耦合方式采用保偏锥形光纤，通过精密位移台和可旋转光纤夹具实现对耦合状态和偏振态的精确控制。最终封装尺寸仅为48mm×78mm ×98mm，支持即插即用的光纤连接，使其能够部署于便携式平台和复杂环境中。这种完全封装、高鲁棒性、极微小尺寸的设计，为后续在移动平台上的应用奠定了坚实基础。
图2：封装结构与实验系统(a) 封装结构示意图；(b) 封装器件实物照片；(c) 激光稳频与性能表征实验装置。
3. 卓越性能：赫兹级线宽与超稳频率
利用该参考腔，研究团队通过PDH锁频技术对商用光纤激光器进行稳频，获得了令人瞩目的性能指标（图3）：
· 超低相位噪声： 在10kHz偏移频率处，相位噪声低至-105dBc/Hz，非常接近热折噪声的理论极限。
· 赫兹级线宽： 积分线宽达到4Hz（1 rad²定义），这是首次在常温环境下基于紧凑型参考腔实现的赫兹级积分线宽。
· 超高频率稳定度： 在10ms平均时间下，分数频率稳定度达到2.5×10⁻¹⁴，接近计算的热折噪声极限。
图3：稳频激光性能(a) 相位噪声测量与仿真结果；(b) 积分相位噪声得到4 Hz积分线宽；(c) 两独立稳频激光的拍频时域信号；(d) 激光系统频率稳定度。
4. 性能对比：国际领先水平
与近年来报道的其他紧凑型参考腔相比本研究在常温环境下实现了最优的相位噪声和频率稳定度，达到赫兹级积分线宽。值得注意的是，该性能甚至可与需要更复杂制备工艺的真空隙F-P腔相媲美，充分展示了MgF₂微腔方案的独特优势。
作者与团队介绍
北京大学物理学院2021级博士生金星、2022级硕士生张玄诣为论文共同第一作者；北京大学长三角光电科学研究院张方醒研究员与北京大学物理学院杨起帆教授为论文共同通讯作者。
合作者包括：北京大学未来技术学院唐水晶研究员，北京大学物理学院2022级博士生谢震宇。
论文信息：Xing Jin, Xuanyi Zhang, Fangxing Zhang, Zhenyu Xie, Shui-Jing Tang, and Qi-Fan Yang. Hertz-integral-linewidth lasers based on portable solid-state microresonators. Photonics Research 14, 1455 (2026).DOI: 10.1364/PRJ.579096
微纳光学精准检测
微纳光学精准检测研究室致力于将实验室级精密的“回音壁模式光学微腔”技术，转化为一系列坚固、可靠、即插即用的标准化器件及衍生系统。从基础物理研究、高速光通信到超精密传感，我们为应对各领域重大挑战提供前沿工具与定制化解决方案。让我们携手，共同定义精准的边界。
核心产品包括: 超高品质因子微腔、可调谐微腔模块、WGM光学超稳腔、高灵敏微腔传感探针、激光相位噪声分析仪等。
可提供超高品质因子光学微腔器件及相关应用合作
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