發(fā)布時(shí)間：2020-04-21 19:24

【摘要】：隨著尖端航空航天技術(shù)和前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究的不斷發(fā)展,人們對(duì)于大范圍高精度的絕對(duì)距離測(cè)量需求日益提升。以雙星地球重力場(chǎng)測(cè)量中的星間激光測(cè)距需求為例,為實(shí)現(xiàn)數(shù)百千米范圍內(nèi)微米量級(jí)的測(cè)量精度,要求激光干涉測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)測(cè)量精度達(dá)到10-10量級(jí)�？紤]到太空環(huán)境無(wú)空氣折射率的影響,激光真空波長(zhǎng)精度(即激光頻率)成為制約測(cè)量精度的關(guān)鍵,對(duì)激光頻率精度的要求將達(dá)到10-12量級(jí)。基于碘頻標(biāo)的He-Ne激光器作為傳統(tǒng)的激光波長(zhǎng)溯源典型標(biāo)準(zhǔn)裝置,自身頻率精度被限制在10-11量級(jí)無(wú)法滿足上述技術(shù)要求。飛秒光頻梳參考時(shí)頻基準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻控制后,其單個(gè)梳齒的頻率精度可以達(dá)到10-16量級(jí)。但由于單個(gè)梳齒功率過小,難以直接進(jìn)行激光測(cè)距。蝶形封裝分布反饋型(DFB)半導(dǎo)體激光器的輸出功率普遍可以達(dá)到數(shù)十毫瓦以上,同時(shí)波長(zhǎng)易通過電流及溫度進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié),體積小巧適合用于激光測(cè)距。結(jié)合上述兩種激光器的特性,參考飛秒光頻梳的半導(dǎo)體激光偏頻鎖定技術(shù)對(duì)于大范圍高精度星間激光測(cè)距的實(shí)現(xiàn)具有潛在重大意義。在上述研究背景與技術(shù)需求條件下,本文進(jìn)行了如下研究工作:(1)針對(duì)參考飛秒光頻梳的半導(dǎo)體激光器偏頻鎖定控制要求兩者拍頻信號(hào)的信噪比高于30d B,直接干涉難以達(dá)到需求的問題。本文首先建立了兩者拍頻信號(hào)的信噪比數(shù)學(xué)模型,以此為基礎(chǔ)對(duì)影響信噪比的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行定量分析,實(shí)現(xiàn)了對(duì)光柵空間光譜分離型干涉光路的優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后的干涉光路可實(shí)現(xiàn)43d B信噪比的拍頻信號(hào)輸出,與理論計(jì)算得到的該光路信噪比極限相吻合。(2)針對(duì)DFB半導(dǎo)體激光器自由運(yùn)行狀態(tài)下頻率快速抖動(dòng)與大范圍漂移的問題,本文研制了基于電流調(diào)諧的數(shù)字預(yù)穩(wěn)頻控制關(guān)鍵單元,對(duì)拍頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字鑒頻、數(shù)字濾波和信號(hào)整形,并通過精密調(diào)節(jié)DFB半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)其頻率的高精度預(yù)控制,使DFB半導(dǎo)體激光器對(duì)參考飛秒光頻梳的跟蹤鎖定精度達(dá)到±455k Hz(1小時(shí))。(3)針對(duì)DFB半導(dǎo)體激光器線寬大,電流調(diào)諧靈敏度過高導(dǎo)致數(shù)字預(yù)穩(wěn)頻精度難以滿足要求的問題。研制了基于聲光移頻器(AOFS)的前饋控制關(guān)鍵單元,細(xì)致分析了利用聲光移頻器進(jìn)行前饋控制的作用機(jī)理,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置,驗(yàn)證了對(duì)DFB半導(dǎo)體激光器相位噪聲的抑制效果。結(jié)合該前饋控制單元與數(shù)字預(yù)穩(wěn)頻控制單元,實(shí)現(xiàn)了DFB半導(dǎo)體激光器參考飛秒光頻梳的偏頻鎖定,跟蹤鎖定誤差小于±6.8Hz,當(dāng)飛秒光頻梳頻率穩(wěn)定度為10-16時(shí),對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體激光器頻率相對(duì)精度可達(dá)到3.5×10-14,已經(jīng)可以滿足大部分星間激光測(cè)距需求。(4)針對(duì)以引力波探測(cè)為代表的星間激光測(cè)距極限需求,繼續(xù)探索了DFB半導(dǎo)體激光器對(duì)參考飛秒光頻梳的光學(xué)鎖相技術(shù)。對(duì)鎖相環(huán)的原理進(jìn)行了深入研究,研制了高性能的鎖相環(huán)電路并進(jìn)行了等效實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,利用AOFS作為光壓控振蕩器(OVCO),搭建了光學(xué)鎖相系統(tǒng)并構(gòu)建了其系統(tǒng)模型。分析了激光線寬、環(huán)路增益和環(huán)路延遲三個(gè)核心參數(shù)對(duì)于光學(xué)鎖相能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵作用。
【圖文】：

- 3 -圖 1-1 半導(dǎo)體激光器外腔結(jié)構(gòu)[34]Littrow 結(jié)構(gòu)主要由激光二極管、抗反射膜、準(zhǔn)直透鏡和 Littrow 光柵組原理可以描述為：激光二極管輸出激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡入射到光柵產(chǎn)生 0 級(jí)

圖 1-2 半導(dǎo)體激光器主動(dòng)穩(wěn)頻原理考的不同類型，，半導(dǎo)體激光器的主動(dòng)頻率控制方參考穩(wěn)頻。無(wú)源參考激光頻率控制方法是利用激作用得到參考頻率譜線，并將譜線的一側(cè)作為鑒率值進(jìn)行反饋控制。其中，法布里-珀羅(FP)腔
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN248.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2635645