本文關鍵詞：激光穩(wěn)頻中精密控溫的研究

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【摘要】：高頻率穩(wěn)定度的窄線寬穩(wěn)頻激光在精密光譜、光頻率標準、引力波探測等精密測量研究領域有著重要的應用。利用Pound-Derver-Hall(PDH)鎖頻方法將激光頻率鎖定在高精細度參考腔的共振頻率上,可以獲得高頻率穩(wěn)定度的窄線寬激光。在PDH穩(wěn)頻技術中,腔穩(wěn)頻激光的頻率穩(wěn)定度很大程度上取決于光學參考腔的長度穩(wěn)定性。參考腔溫度穩(wěn)定性是影響其腔長穩(wěn)定性的重要因素,因此也是影響腔穩(wěn)頻激光頻率穩(wěn)定度的重要因素。為了降低參考腔溫度波動對腔穩(wěn)頻激光頻率穩(wěn)定度的影響,本文主要圍繞提高參考腔溫度穩(wěn)定性來進行相應的研究。首先以豎腔真空室為控溫對象,測量和分析了優(yōu)化后的溫控系統(tǒng)各部分及總體的開環(huán)響應。這為后續(xù)對系統(tǒng)進行噪聲分析和搭建激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中20cm參考腔的兩級溫控系統(tǒng)打下了基礎。通過溫控系統(tǒng)對溫度階躍變化的瞬態(tài)響應特性來優(yōu)化系統(tǒng)的性能指標,是對其進行響應分析的基礎。對溫控系統(tǒng)進行響應分析的主要目的在于優(yōu)化其性能指標。根據(jù)溫控系統(tǒng)的開環(huán)響應特性,初步研究了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了研究自制溫控電路控溫精度的限制因素,本文對溫控系統(tǒng)進行了噪聲分析。為此建立了溫控系統(tǒng)的噪聲模型,然后定量分析了溫控系統(tǒng)中各部分噪聲對溫度噪聲的貢獻,確定了溫度噪聲的主要來源。分別采用自制"同相放大"溫控電路和在前者基礎上進行改進后的"儀表放大"溫控電路對豎腔真空室進行控溫,并對這兩種溫控系統(tǒng)的溫度噪聲進行了測量和分析,初步驗證了溫控系統(tǒng)噪聲模型。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),這兩種溫控系統(tǒng)環(huán)內溫度噪聲最終均受限于閉環(huán)控制后由于環(huán)路增益有限導致的環(huán)內剩余環(huán)境溫度噪聲。"同相放大"溫控系統(tǒng)環(huán)外溫度噪聲最終受限于單臂電橋輸出端噪聲,而"儀表放大"溫控系統(tǒng)環(huán)外溫度噪聲則最終受限于惠斯通電橋輸出端噪聲和儀表放大器輸入端噪聲。此外簡單地討論了提高實驗室現(xiàn)有真空室溫控系統(tǒng)控溫精度的方法�；谏鲜龉ぷ�,我們搭建了激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中20cm參考腔的兩級精密溫控系統(tǒng)。首先采用三路獨立的"儀表放大"溫控電路分別對光學參考腔所處真空室的兩端蓋和側壁進行控溫,然后將整個真空系統(tǒng)放入自制恒溫箱內實現(xiàn)第二級控溫。在兩級溫控系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定工作后,通過環(huán)外獨立的測溫熱敏電阻,長時間監(jiān)測室內環(huán)境溫度波動、恒溫箱內空氣溫度波動、及真空室上各位置溫度波動。在長達21天的測量時間內,室內環(huán)境溫度波動約為0.45℃,恒溫箱內空氣溫度波動約為4mK,而真空室上各位置溫度波動約為O.1mK～0.2mK。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),在10-6Hz～10-3Hz區(qū)域,兩級溫控系統(tǒng)對室內溫度噪聲有至少約2200倍衰減。為了進一步提高參考腔的溫度穩(wěn)定性,我們通過在真空室外壁和參考腔之間設置兩層熱屏蔽層來降低兩者之間的熱量傳遞速率。我們建立了內有兩層熱屏蔽層的參考腔真空系統(tǒng)的熱量傳遞模型,用于估算參考腔溫度波動。與此同時將參考腔溫度控制在其零膨脹溫度點,有效降低其腔長對參考腔溫度的敏感度。根據(jù)傳熱模型,由真空室外壁溫度波動估算了參考腔溫度波動,評估了參考腔溫度波動對激光頻率不穩(wěn)定的貢獻。當參考腔溫度偏離其零膨脹溫度點的偏移量|δT|≤0.2K時,在平均時間τ104s的時間內,系統(tǒng)參考腔溫度波動對激光頻率不穩(wěn)定度的貢獻小于該參考腔的熱噪聲極限2.12×10-16,因此參考腔溫度波動在該時間尺度上不會成為限制激光頻率不穩(wěn)定度的因素。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN24

【參考文獻】

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1 李正坤;張鐘華;韓冰;賀青;劉君華;;解耦技術在精密控溫中的應用[J];現(xiàn)代測量與實驗室管理;2006年03期

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本文編號：1280563