2026-01-04
文章来源：富泰克光电
文章来源：A highly stable monolithic enhancement cavity for SHG generation in the UV，作者S. Hannig, et al
关键词：313nm光源、SHG增强腔、火龙果STEM125-14、BBO晶体
本文介绍了一种基于BBO晶体的高稳定性单片式蝴蝶结增强腔，用于紫外光（313 nm）的二次谐波产生（SHG），其采用基于火龙果公司STEMlab 125-14系统的数字PI控制器结合压电致动器实现腔长稳定，实现了130小时无间断锁定运行，在承受高达1g加速度时SHG功率波动小于10%，经30分钟3g_rms加速度测试后光学对准未受实质影响，适用于可运输量子光学实验，且腔体几何可适配BBO可达的所有紫外波长。
图1 火龙果公司STEM125-14控制卡
图2 STEM125-14内部系统框图
一、研究背景与意义
1.需求背景：量子光学实验（如量子重力仪、高精度原子钟）需宽波长激光源，紫外光（<350nm）需通过非线性晶体二次谐波产生（SHG），但现有系统存在商用灵活性不足、自制稳定性差的问题，且可运输场景对机械鲁棒性要求极高。
2.核心目标：开发一种机械稳定、可运输、长时可靠的单片式增强腔，用于BBO晶体的紫外SHG产生。
二、系统核心设计
（一）腔体结构设计
（二）控制与泵浦系统
1.控制系统
￮硬件基础：STEMlab 125-14开发板（核心为Xilinx Zynq7010 SoC，集成ARM Cortex A9与FPGA），关键参数如下表：
￮控制算法：数字PI控制器（FPGA实时实现，禁用D环节），支持远程/本地参数配置，新增主增益、二阶积分等扩展功能。
￮锁定方案：采用Hänsch-Coulliaud方案生成误差信号，锁定带宽17kHz，核心是通过压电致动器调节腔长以匹配泵浦光波长。
2.泵浦系统
￮泵浦光生成：通过1550nm与1051nm光纤激光的和频（SFG）产生626nm泵浦光，最大输出功率1.1W。
￮耦合优化：望远镜系统（f=50mm+30mm透镜）实现模式匹配，偏振片（PBS）与波片确保偏振方向适配SHG需求。
三、实验结果与性能验证
（一）关键性能指标
（二）关键结论
1.腔体机械稳定性：单片式设计可承受运输级振动，光学对准不受影响；
2.长期可靠性：130小时无间断运行刷新同类SHG腔锁定时长记录；
3.环境适应性：干燥气体吹扫与温度稳定设计有效避免BBO晶体降解。
四、应用与展望
1.核心应用：可运输Al⁺原子钟的钟跃迁探测光生成、相对论大地测量实验；
2.未来优化方向：
￮提升锁定带宽（采用优化压电致动器支架，目标120kHz）；
￮改进腔体密封（金属密封替代FKM密封），增强抗污染能力；
￮扩展适配性：调整腔体几何以兼容不同非线性晶体与波长。
4. 关键问题
问题1：该UV-SHG增强腔采用的核心稳定技术是什么？其实现原理是什么？
答案：核心稳定技术是“基于STEMlab 125-14的数字PI控制+压电致动器的腔长锁定系统”。原理：1. 采用Hänsch-Coulliaud方案，通过偏振光反射相位差生成色散型误差信号，反映腔长与泵浦光波长的偏差；2. STEMlab的FPGA实时运行PI算法，将误差信号转换为控制电压；3. 压电致动器驱动腔镜微小位移（调节范围覆盖多个自由光谱范围），实时补偿腔长漂移，使腔长稳定在泵浦光共振波长，最终实现17kHz锁定带宽与长时稳定运行。
问题2：该增强腔在可运输场景下的核心优势是什么？有哪些关键实验数据支撑？
答案：核心优势是高机械鲁棒性+长时锁定稳定性，关键支撑数据：1. 抗加速度能力：承受1g垂直加速度时，SHG功率波动<10%，锁定未丢失，加速度停止后功率完全恢复；2. 运输级振动测试：30分钟3g_rms振动（ISO13355:2016标准5倍）后，腔体光学对准无实质变化，仅需重调耦合镜即可恢复初始功率；3. 长期稳定性：130小时连续锁定运行，SHG功率rms波动仅1%，无功率衰减，满足可运输实验的长时可靠性需求。
问题3：该系统的核心光学设计（腔体与晶体）如何优化SHG效率与稳定性？
答案：双维度优化设计：1. 效率优化：① 晶体设计：Brewster切割（θ_B=59.0°）减少泵浦光反射损耗，相位匹配角θₚₘ=38.4°满足SHG相位匹配条件（k_SHG=2k_PL）；② 腔体优化：蝴蝶结结构避免驻波与光折变效应，阻抗匹配（R_in优化）最大化泵浦光耦合效率，腔增强使SHG功率提升约2500倍；2. 稳定性优化：① 机械设计：单片式铝制外壳减少振动影响，应力-free镜座避免双折射；② 环境防护：密封腔+干燥气体（O₂）吹扫，温度稳定（厚膜电阻+传感器）防止BBO晶体吸潮起雾与冷凝。
