發(fā)布時間：2020-05-06 19:48

【摘要】：超高頻率穩(wěn)定度的微波信號在一些前沿科學研究和高精度探測裝置中扮演著重要角色。作為基準頻標的銫原子噴泉鐘的量子投影噪聲在10-14@1 s量級,為消除本地微波頻率源噪聲導致的Dick效應對原子鐘短期頻率穩(wěn)定度的影響,微波源的穩(wěn)定度需要更優(yōu)。此外,高性能的網(wǎng)絡雷達和深空導航系統(tǒng)等也分別提出了類似指標微波源的應用需求。然而,傳統(tǒng)的基于晶振的微波源穩(wěn)定度(～1×10-13@1 s)受限于基本物理機制,不能滿足這些應用需求。本論文是針對基準噴泉鐘應用的基于光學腔的超穩(wěn)微波源的研究,這種新型的微波源以超穩(wěn)光學諧振腔的長度為參考具,利用超穩(wěn)激光、飛秒光頻梳、低噪聲光電轉換和微波頻率綜合技術,能夠產(chǎn)生短期頻率穩(wěn)定度最高的微波信號(10-16@1s量級)。實驗中,利用10 cm長的超穩(wěn)光學腔為參考,產(chǎn)生了基準噴泉鐘所需的9.192 GHz可調(diào)微波信號,其短期穩(wěn)定度為7.4×10-15,滿足了基準噴泉鐘所需。論文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:一、超穩(wěn)激光技術全面介紹了利用PDH(Pound-Drever-Hall)鎖頻技術將1550 nm波長的商用激光器鎖定在10 cm長超高精細度的F-P腔諧振頻率的技術細節(jié)。利用快慢反饋相結合的方式,有效的抑制了激光器的寬帶噪聲和長期頻率漂移,最終獲得了受限于光學腔熱噪聲的超穩(wěn)激光信號,其短期頻率頻率穩(wěn)定度7×10-16@1 s,線寬約0.1 Hz量級。探索了進一步提升超穩(wěn)激光頻率穩(wěn)定度的新方法,提出多腔聯(lián)合穩(wěn)頻的方案,理論上通過采用N個腔聯(lián)合穩(wěn)頻可以將超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度降低(?)N倍。設計了雙腔(7×10-16@1s)聯(lián)合穩(wěn)頻實驗進行驗證,獲得了頻率穩(wěn)定度為5×10-16@1s的合成激光信號,符合預期;測試表明多腔聯(lián)合穩(wěn)頻過程引入的穩(wěn)定度惡化在10-18～10-19量級,因此該方法可以有效提高當前最高指標超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度(～5×10-17)。二、飛秒激光光學頻率控制和綜合詳細闡述了摻鉺光纖飛秒光梳的研制過程,重點研究了光梳載波包絡相移頻率(fceo)和重復頻率(fr)的鎖定技術。fce穩(wěn)頻按照反饋機構可以分成泵浦電流源和特殊的腔內(nèi)EOM兩種,其中通過反饋泵浦電流的方式穩(wěn)頻,將fceo信號鎖定在外部參考上,鎖定后的頻率穩(wěn)定度為9.6×10-17/τ,相位噪聲處于-50 dB rad2/Hz至-60 dB rad2/Hz范圍;采用高速穩(wěn)頻系統(tǒng)反饋特殊設計的腔內(nèi)EOM鎖定fceo,鎖定后的帶寬達到1.8 MHz,頻率穩(wěn)定度在1.6×10-17@1 s。fr的頻率穩(wěn)定通過反饋光學腔內(nèi)的EOM和PZT實現(xiàn),f穩(wěn)頻在微波參考上的頻率穩(wěn)定度為7.4×10-15@1 s;光梳的梳齒鎖定在超穩(wěn)激光上的頻率穩(wěn)定度為2×10-17@1 s,相位噪聲小于-50 dB rad2/Hz。飛秒光梳通過將梳齒鎖定在超穩(wěn)激光參考上,fceo信號穩(wěn)定在外部參考上,將193 THz的超穩(wěn)激光頻率綜合到重頻的41次諧波9.54 GHz上,成功將超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度傳遞到光梳的重復頻率穩(wěn)定度上,并可連續(xù)穩(wěn)定鎖頻1周以上。三、低噪聲光電轉換和微波頻率綜合光電轉換過程中附加的相位噪聲主要來源于光電探測器件的熱噪聲、散粒噪聲,以及激光幅度噪聲向微波相位噪聲轉化的轉換噪聲。采用級聯(lián)式馬赫增德爾干涉儀的方法,通過增加脈沖激光個數(shù),提高光電探測器件的飽和點,提高光電轉換的信噪比,從而降低微波的相位噪聲。最終獲得9.54 GHz微波信號頻率穩(wěn)定度為3×10-15@1 s。低噪聲微波頻率綜合采用鎖相環(huán)技術和直接數(shù)字頻率合成器(DDS),將一個 9.6 GHz 的介質(zhì)振蕩器(dielectric resonator oscillator,DRO)鎖定在光梳的 9.54 GHz諧波上,經(jīng)過頻率加、減、乘、除處理后得到頻率穩(wěn)定度為7×10-15@1s的9.192 GHz 信號和 1.8×10-14@1 s 的 10 MHz 信號。四、光生微波源測試和應用通過兩套完全獨立的光生微波源系統(tǒng)頻率信號比對,評估了所產(chǎn)生的9.192 GHz信號和10MHz信號的頻率穩(wěn)定度。最終獲得了頻率穩(wěn)定度為7.4×10-15@1 s的9.192 GHz信號,頻率穩(wěn)定度為1.8×10-14@1 s的10 MHz信號。用該9.192 GHz信號代替銫原子噴泉鐘的微波腔激勵信號,成功將銫原子噴泉鐘的短期穩(wěn)定度提升至10-14量級。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院國家授時中心)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH714.14

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 ;新一代高效微波源及微波能應用關鍵技術[J];中國科技獎勵;2017年05期

2 科卞;5kW/2450MHz微波源和多用途高溫馬弗爐[J];電子科技大學學報;2000年05期

3 陳永泰;高穩(wěn)定微波源[J];宇航計測技術;1995年01期

4 王進滿;李武朝;韋雷;寇舒;;微波爐微波源電路工作原理分析及故障處理[J];科技創(chuàng)新導報;2010年28期

5 徐延安;;醫(yī)用60瓦固態(tài)微波源通過鑒定[J];醫(yī)療衛(wèi)生裝備;1993年03期

6 汪敏,王昆山,謝瑞祥,施碩彪,王霖,劉玉英,李維華;一個復雜太陽射電爆發(fā)及其微波源區(qū)特征的初步研究[J];天文研究與技術.國家天文臺臺刊;2004年01期

7 衛(wèi)紅;;采用高Q腔體穩(wěn)定耿效應或碰撞雪崩二極管的低噪聲固態(tài)微波源[J];半導體情報;1971年07期

8 曹銀杰,孟曉雷,于含云;固態(tài)微波源電子順磁共振譜儀的研制[J];廈門大學學報(自然科學版);1993年S2期

9 袁家德;陳和平;林國慶;張文雄;;固態(tài)微波源驅動無電極等離子燈的研究進展[J];科技創(chuàng)新與應用;2013年09期

10 李剛;劉建設;李浩;李鐵夫;陳煒;;超導微波源的仿真、設計與制備[J];微波學報;2015年S1期

相關會議論文 前10條

1 姜遵富;郭開周;;醫(yī)用全固態(tài)60瓦微波源[A];1997年全國微波會議論文集(下冊)[C];1997年

2 柳麗;李唐;陳R，

本文編號：2651774