【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,人們對于大范圍高精度的絕對距離測量需求日益提升。以雙星地球重力場測量中的星間激光測距需求為例,為實現(xiàn)數(shù)百千米范圍內(nèi)微米量級的測量精度,要求激光干涉測量系統(tǒng)的相對測量精度達到10-10量級�？紤]到太空環(huán)境無空氣折射率的影響,激光真空波長精度(即激光頻率)成為制約測量精度的關(guān)鍵,對激光頻率精度的要求將達到10-12量級�；诘忸l標(biāo)的He-Ne激光器作為傳統(tǒng)的激光波長溯源典型標(biāo)準(zhǔn)裝置,自身頻率精度被限制在10-11量級無法滿足上述技術(shù)要求。飛秒光頻梳參考時頻基準(zhǔn)進行穩(wěn)頻控制后,其單個梳齒的頻率精度可以達到10-16量級。但由于單個梳齒功率過小,難以直接進行激光測距。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到數(shù)十毫瓦以上,同時波長易通過電流及溫度進行大范圍調(diào)節(jié),體積小巧適合用于激光測距。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)對于大范圍高精度星間激光測距的實現(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,本文進行了如下研究工作:(1)針對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的信噪比高于30d B,直接干涉難以達到需求的問題。本文首先建立了兩者拍頻信號的信噪比數(shù)學(xué)模型,以此為基礎(chǔ)對影響信噪比的各個參數(shù)進行定量分析,實現(xiàn)了對光柵空間光譜分離型干涉光路的優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后的干涉光路可實現(xiàn)43d B信噪比的拍頻信號輸出,與理論計算得到的該光路信噪比極限相吻合。(2)針對DFB半導(dǎo)體激光器自由運行狀態(tài)下頻率快速抖動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,對拍頻信號進行數(shù)字鑒頻、數(shù)字濾波和信號整形,并通過精密調(diào)節(jié)DFB半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流實現(xiàn)其頻率的高精度預(yù)控制,使DFB半導(dǎo)體激光器對參考飛秒光頻梳的跟蹤鎖定精度達到±455k Hz(1小時)。(3)針對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行前饋控制的作用機理,設(shè)計并實現(xiàn)了實驗裝置,驗證了對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,對應(yīng)的半導(dǎo)體激光器頻率相對精度可達到3.5×10-14,已經(jīng)可以滿足大部分星間激光測距需求。(4)針對以引力波探測為代表的星間激光測距極限需求,繼續(xù)探索了DFB半導(dǎo)體激光器對參考飛秒光頻梳的光學(xué)鎖相技術(shù)。對鎖相環(huán)的原理進行了深入研究,研制了高性能的鎖相環(huán)電路并進行了等效實驗。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)路延遲三個核心參數(shù)對于光學(xué)鎖相能否實現(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

圖 1-2 半導(dǎo)體激光器主動穩(wěn)頻原理考的不同類型，，半導(dǎo)體激光器的主動頻率控制方參考穩(wěn)頻。無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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN248.4

【參考文獻】

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本文編號：2635645