基于低温晶体光学腔的频率超稳定超窄线宽激光系统已展示了10^-17级频率稳定度，这推动了精密测量和基础科学研究的广泛进展；与此同时，实现这种10^-17级频率超稳定激光系统具有很高的挑战性，此前只有美国和德国的合作小组掌握了该技术，相关实验系统的实现非常稀少。由于更低的温度和更长的腔长可以带来基本布朗热噪声的降低，通过在数个开尔文的液氦温区工作温度下增加晶体光学腔的长度，有望提供一条进一步提升稳定度的、具有相当可观潜力的直接路径。但是，随着晶体光学腔长度的增加，要求闭环制冷机的容积随之变大，这使得制冷机振动诱导的技术性频率噪声迅速增加，导致难以同时实现相对较长的晶体光学腔和足够低的振动诱导频率噪声。因此，较长长度的液氦温区晶体光学腔能否达到最先进的频率稳定度，还是一个实验上意义重大、但长期悬而未决的困难问题。

基于此，北京大学物理学院量子材料科学中心/合肥实验室张熙博研究员领导的研究团队首次基于工作温度低于5K、长达10cm的单晶硅超稳光学腔，设计并实验实现了一套具备4×10^-17频率高稳定度、9.6mHz超窄线宽的1397nm超稳激光系统“龙光一号”（LoongLaser-I）。团队首先设计并实验实现了一种制冷-致静淬火动态测量的新方法，在振动噪声仍然压过基本热噪声的情况下成功地“暂停”了振动噪声的影响，观测到了硅腔固有的10^-17级频率高稳定度。随后，团队进一步开发了抑制相关制冷机振动影响的新实验方法，在三维空间的每一个方向上都实现了对单晶硅光学腔的有力支撑/定位，就像一条年轻而强壮的小龙紧紧地抓住硅腔、将其在空间中完全固定住一样，这种创新性的结构和方法不仅充分发挥了单晶硅的高硬度特性，而且大大提高了“硅腔-支撑结构”这个系统的整体刚度，使得整个系统“坚如磐龙”，从而将振动诱导的频率噪声压低了超过一个数量级。由此，团队基于长达10cm的单晶硅光学腔首次在连续制冷过程中观测到平均时间4至12秒下4.3×10^-17的频率不稳定度，相应的频率噪声功率谱密度对应于1397nm波长超稳激光系统的9.6mHz的超窄线宽和超过100s的相干时间。这些结果为在亚5K温度下工作在闭式循环制冷机中的超稳光学腔和相应的超稳激光系统创造了新的频率稳定度记录，并为用更长的亚5K光学腔将频率稳定度提高到1~2×10^-17或更好水平提供了高性能原型系统。该成果对众多精密测量研究具备广泛的赋能价值。以精密光频标为例，如果把基于原子或离子的精密光频标比喻为一辆性能超群的“跑车”，超稳激光系统就是这辆跑车的“发动机”，为精密光频标提供不可或缺的重大核心技术；未来，10^-17级或更高稳定度的超稳激光系统有望为核钟等精密测量基础研究提供基石性技术。这项代表激光精密测量领域“大国精器”的突破性工作以“基于亚5K温度下10cm长硅光学腔达到4×10^-17频率不稳定度的超稳激光系统”（A laser with instability reaching 4×10^-17 based on a 10-cm-long silicon cavity at sub-5-K temperatures）为题发表在《科学通报》英文版（Science Bulletin）上，并被选为该期刊2025年第20期的封面文章。

通过将一台具有较长长度（10cm）的单晶硅光学腔（左上子图）冷却到5K以下的液氦温区（左下子图）并创新性地将硅腔被制冷机“摇晃”而导致的频率噪声控制到小数10^-17水平，可以实现一套频率不稳定度总体达到10^-17水平的1397nm超稳激光系统。当硅腔温度为4.9K时，激光频率不稳定度在数秒平均时间下达到4×10^-17水平，接近硅腔的基本布朗热噪声极限，在1397nm波长下对应于9.6mHz的超窄线宽（右上子图），为国际上基于亚5K光学腔的同类超稳激光 “大国精器”提供了新的性能世界记录。当硅腔温度达到更低的3.3K时，超稳激光系统的长期频率稳定度进一步得到改进（右下子图），这将为基于原子或离子系统的精密光频标乃至未来的核频标提供重要的基石性技术。

北京大学物理学院量子材料科学中心2021级博士生陈智昂为论文的第一作者，张熙博研究员为通信作者。该工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）和合肥国家实验室量子科学与技术创新重大项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.08.050