相干激光的性能對(duì)原子干涉儀的測(cè)量精度有著重要影響。本文介紹了一種制備相干激光的外差式光學(xué)鎖相環(huán)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)外腔半導(dǎo)體激光器頻率和相位的同步,鎖相后的激光拍頻線寬低于1 Hz,10 MHz積分帶寬內(nèi)的殘余相位噪音為0.002 rad2,頻偏1～100 kHz范圍內(nèi)的相位噪音達(dá)到-100 dBc/Hz。并研究了閉環(huán)相位噪音對(duì)原子干涉儀的影響,在自由演化時(shí)間為200 ms、拉曼π脈沖時(shí)間為30μs、單次循環(huán)時(shí)間為1 s條件下,鎖相后相位噪音對(duì)重力測(cè)量靈敏度的貢獻(xiàn)為10μGal/（Hz）^1/2,完全滿足高精度原子干涉儀的使用需求。 

【文章來(lái)源】：計(jì)測(cè)技術(shù). 2020,40(06)

【文章頁(yè)數(shù)】：5 頁(yè)

【部分圖文】：

相位噪音測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。主激光器輸出分出小部分激光作為穩(wěn)頻參考光，主激光器和從激光器輸出激光在消偏振分束器(BS)處合束進(jìn)行拍頻，拍頻信號(hào)由高速探測(cè)器1,2接收，分別探測(cè)環(huán)內(nèi)、環(huán)外信號(hào)，探測(cè)器型號(hào)為ET4000，光電靈敏度為0.45 A/W@780 nm，輸入總光強(qiáng)為5 m W時(shí)，拍頻信號(hào)的幅值約為-35 d Bm。經(jīng)過低噪音射頻放大器1，(興華微通XHLNA6.0G-7.5G，頻率范圍6～7.5 GHz，增益30 d B，噪音系數(shù)1.5 d B)放大后的信號(hào)幅值為-5 d B。其與信號(hào)發(fā)生器(keysight E8257D)輸出的微波信號(hào)S1(頻率約為6.884 GHz，幅值為-10 d Bm)經(jīng)混頻器(ZMX-10G)混頻后輸出信號(hào)的頻率在50 MHz附近，幅值約為-20 d Bm，經(jīng)過第二個(gè)低噪音放大器2(ZFL-500LN+)放大后的幅值增加到約10 d Bm。經(jīng)過耦合器1(ZFDC-10-1+)后，小部分射頻信號(hào)(約0 d Bm)作為監(jiān)視信號(hào)2連接到頻譜儀(keysight N9000A)，大部分信號(hào)(約為10 d Bm)輸入到耦合器2，其輸出的小部分作為參考信號(hào)輸入到數(shù)字鑒頻鑒相器(DFPD，由高速比較器AD96687和數(shù)字鑒相器AD9910以及配套模擬電路構(gòu)成)，大部分信號(hào)作為參考信號(hào)輸入到模擬鑒相器(AFD,ZRPD-1)。S2信號(hào)由直接數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生(Keysight DDS33600)，經(jīng)耦合器3分束后，小部分信號(hào)作為本振信號(hào)輸入到DFPD，大部分信號(hào)經(jīng)過移相器對(duì)信號(hào)移相后(Phase shift)作為本振信號(hào)輸入到模擬鑒相器，移項(xiàng)器的作用是補(bǔ)償同軸電纜、射頻器件等導(dǎo)致的相移。S1和S2信號(hào)源均使用斯坦福銣原子鐘(FS725)輸出的10 MHz信號(hào)作為頻率外參考。DFPD輸出信號(hào)作為誤差信號(hào)進(jìn)入反饋控制器1(PID1)和反饋控制器2(PID2)，二者分別為慢反饋控制和中速反饋控制，其輸出分別連接到主激光器的壓電陶瓷(PZT)和電流直流調(diào)制端口，PID1和PID2由激光器自帶的Diglock110鎖頻模塊產(chǎn)生，其由FPGA模塊組成，可以使用計(jì)算機(jī)通信方便地修改控制參數(shù)。AFD輸出信號(hào)經(jīng)過反饋濾波器(filter)后作為快速反饋輸入到激光器電流交流調(diào)制端口。反饋濾波器由低通濾波器(BLP-30)、RC并聯(lián)電路和可調(diào)衰減器等組成。拍頻的目的是將100 THz量級(jí)的光頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成容易處理的1 GHz量級(jí)的微波信號(hào)，拍頻信號(hào)和微波信號(hào)混頻的目的是將1 GHz量級(jí)微波信號(hào)進(jìn)一步降低到更容易處理、對(duì)應(yīng)電子器件更多的100 MHz量級(jí)頻段�？焖俜答伩刂频膸捯话阍�1～10 MHz范圍，帶寬和增益可由衰減器倍數(shù)和RC電路參數(shù)控制，激光頻率調(diào)諧靈敏度約為5 GHz/V。中速反饋控制的帶寬一般在200 k Hz～2 MHz范圍，帶寬和增益可以由PID1控制器的比例、積分和微分參數(shù)調(diào)節(jié)，激光頻率調(diào)諧靈敏度約為100 MHz/V。慢速反饋控制的帶寬在1 k Hz量級(jí)，主要受PZT共振頻率限制，帶寬和增益由PID2參數(shù)調(diào)節(jié)，激光頻率調(diào)諧靈敏度約為500 MHz/V。

OPLL閉環(huán)鎖定后的環(huán)外拍頻信號(hào)測(cè)量結(jié)果如圖2所示。圖2(a)中的頻譜儀掃描范圍為6 MHz，分辨力帶寬(RBW)為1 k Hz，視頻帶寬(VBW)為10 Hz，圖中偏離中心位置的兩個(gè)特征峰對(duì)應(yīng)反饋環(huán)路帶寬大小，中速反饋帶寬為300 k Hz，快速反饋帶寬為2.75 MHz。圖2 (b)中的掃描范圍為1 k Hz，分辨力帶寬和視頻帶寬均為1 Hz(頻譜儀最高分辨力)，此時(shí)仍然無(wú)法分辨載波線寬，意味著OPLL后激光拍頻線寬遠(yuǎn)小于1 Hz。拍頻信號(hào)的相位噪音大小可以用頻譜儀的相噪測(cè)試功能測(cè)量，結(jié)果如圖3所示，其中黑色曲線為OPLL閉環(huán)后的環(huán)內(nèi)信號(hào)相位噪音，紅色曲線為環(huán)外信號(hào)相位噪音，藍(lán)色曲線和綠色曲線分別為信號(hào)源DDS33600和E8257的相位噪音。由實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可知，在頻偏1～500 Hz范圍內(nèi)，鎖相環(huán)閉環(huán)后的環(huán)外相位噪音結(jié)果基本與微波信號(hào)源E8257相同，遠(yuǎn)差于射頻信號(hào)源DDS33600，與之對(duì)比，環(huán)內(nèi)相位噪音與DDS33600相同，遠(yuǎn)好于E8257D，這說(shuō)明OPLL系統(tǒng)在低頻段內(nèi)的性能主要受限于信號(hào)源指標(biāo)，可通過采用具有超低相位噪音的信號(hào)源進(jìn)行改善。在頻偏500 Hz～10 MHz范圍內(nèi)，鎖相環(huán)閉環(huán)的環(huán)外、環(huán)內(nèi)信號(hào)相位噪音基本一致，均比信號(hào)源相噪大，這主要是OPLL系統(tǒng)在高頻段內(nèi)的增益較低，且反饋帶寬有限導(dǎo)致的，此頻段內(nèi)的兩個(gè)特征信號(hào)峰對(duì)應(yīng)于反饋環(huán)帶寬。在頻偏1～100 k Hz范圍內(nèi)鎖相環(huán)閉環(huán)的環(huán)外拍頻信號(hào)相位噪音在-100 d Bc/Hz左右。


本文編號(hào)：3622845