【摘要】：基于光學參考腔的激光穩(wěn)頻技術(shù)廣泛應用于各個領域,例如精密計量、高分辨率光譜學以及原子光鐘等。目前采用PDH技術(shù)可以將激光的頻率高精度地鎖定在高穩(wěn)定度的光學諧振腔的共振頻率上。當鑒頻信號的信噪比非常高時,激光頻率的特性完全取決于光學參考腔的腔長穩(wěn)定性。而外界的振動及溫度的變化都會影響參考腔腔長的穩(wěn)定性。目前主要通過對參考腔結(jié)構(gòu)及支撐位置的設計來降低參考腔對外界振動的敏感度,并降低外界環(huán)境的振動,通常還將參考腔置于溫控裝置中。在采取了上述措施后,在大多數(shù)穩(wěn)頻激光系統(tǒng)中,激光頻率在短時間內(nèi)仍會出現(xiàn)一定的線性漂移,超過百秒時甚至會出現(xiàn)非線性的頻率漂移。除了參考腔的老化引起頻率漂移(10-17/s到10-16/s量級之間)外,最主要的原因是參考腔溫度的微小抖動引起的腔長變化,從而使鎖定在參考腔的激光發(fā)生頻率改變。因此在對參考腔進行嚴格溫控的同時,還需要降低參考腔的溫度敏感度。本文致力于研究處于溫控裝置中的參考腔對外界溫度變化的響應情況。首先推導出參考腔對外界溫度變化響應的時間常數(shù)和溫度敏感度的表達式,總結(jié)出影響參考腔溫度敏感度的各個因素,提出有效降低溫度敏感度的方法。結(jié)合ANSYS有限元分析,得出對于參考腔的熱屏蔽層而言,其質(zhì)量越大、比熱容越高、熱輻射率越小時,參考腔的時間常數(shù)越大、溫度敏感度越低,另外通過增加屏蔽層的層數(shù)可大大降低參考腔的溫度敏感度。結(jié)合以上結(jié)論提出了可根據(jù)實驗的溫控精度以及參考腔的熱膨脹系數(shù)設計合理可行的屏蔽層結(jié)構(gòu)。本文還討論了熱不均勻性引起的等效腔長變化量的大小,從而定量地分析了由于熱不均勻性引起的頻率不穩(wěn)定度。另外通過有限元分析的方法設計出了零膨脹溫度點在室溫附近的復合材料的參考腔。
[Abstract]:Laser frequency stabilization technology based on optical reference cavity is widely used in many fields, such as precision measurement, high resolution spectroscopy and atomic optical clock. At present, the frequency of laser can be locked to the resonant frequency of optical resonator with high stability by using PDH technology. When the signal-to-noise ratio of the frequency discrimination signal is very high, the characteristics of the laser frequency depend entirely on the stability of the cavity length of the optical reference cavity. The external vibration and temperature change will affect the stability of the reference cavity length. At present, the design of reference cavity structure and support position is mainly used to reduce the sensitivity of reference cavity to external vibration and to reduce the vibration of external environment. Usually, the reference cavity is also placed in the temperature control device. After taking the above measures, in most frequency stabilized laser systems, the laser frequency will still appear a certain linear drift in a short period of time, and even nonlinear frequency drift will occur when the laser frequency exceeds 100 seconds. In addition to the frequency drift caused by the aging of the reference cavity, the main reason is the variation of the cavity length caused by the small jitter of the temperature of the reference cavity, which results in the frequency change of the laser locked in the reference cavity. Therefore, it is necessary to reduce the temperature sensitivity of the reference cavity while strictly controlling the temperature of the reference cavity. In this paper, the response of the reference cavity in the temperature control device to the change of the external temperature is studied. Firstly, the expressions of time constant and temperature sensitivity of the response of the reference cavity to the external temperature change are derived. The factors affecting the temperature sensitivity of the reference cavity are summarized, and a method to effectively reduce the temperature sensitivity is proposed. Combined with the finite element analysis of ANSYS, it is concluded that the larger the mass, the higher the specific heat capacity and the smaller the thermal emissivity, the larger the time constant and the lower the temperature sensitivity of the reference cavity for the thermal shielding layer of the reference cavity. In addition, the temperature sensitivity of the reference cavity can be greatly reduced by increasing the number of shielding layers. In combination with the above conclusions, a reasonable and feasible shield structure can be designed according to the experimental temperature control accuracy and the thermal expansion coefficient of the reference cavity. The variation of equivalent cavity length caused by thermal inhomogeneity is also discussed in this paper, and the frequency instability caused by thermal inhomogeneity is quantitatively analyzed. In addition, the reference cavity of composites with zero expansion temperature near room temperature was designed by finite element analysis.
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O437;TN249

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