發(fā)布時間：2018-02-20 20:52

  本文關鍵詞： 原子干涉儀 半導體激光器 伺服電路 激光調制 飽和吸收穩(wěn)頻 電磁干擾 信噪比 長期穩(wěn)定性　出處：《中國科學院大學(中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：原子干涉儀已經(jīng)成為一種高精度測量的工具并被廣泛應用于科學研究和技術應用領域。半導體激光器作為原子干涉儀的重要組成部分,其頻率和幅度穩(wěn)定度都都直接決定干涉儀的性能。高性能原子干涉儀的發(fā)展離不開穩(wěn)定可靠的激光器系統(tǒng)。本論文以原子干涉儀用半導體激光器的智能穩(wěn)頻系統(tǒng)為題,開展了半導體激光器頻率控制的系統(tǒng)性研究工作,取得的創(chuàng)新性成果主要有以下幾個方面:(一)設計了數(shù)字聲光調制器驅動源,編寫了控制程序。實驗測量了數(shù)字聲光調制器驅動源的相位噪聲,用阿倫方差評估了驅動源的頻率穩(wěn)定性,研究了影響DDS(直接數(shù)字式頻率合成器)頻率穩(wěn)定度的關鍵因素。著重設計了 DDS中的關鍵電路-五階橢圓帶通濾波器,利用網(wǎng)絡分析儀分析了五階橢圓帶通濾波器的s參數(shù),結果優(yōu)于同類商品儀器。(二)設計了一套基于Lock_in(鎖相放大)原理的飽和吸收穩(wěn)伺服穩(wěn)頻電路。研究了外腔穩(wěn)頻半導體激光器的頻率、溫度響應、線寬等特性。建立了飽和吸收穩(wěn)頻裝置,成功地將半導體激光器(DL100/DFB)的輸出頻率鎖定在銣原子的飽和吸收峰上。改善了環(huán)路濾波器的衰減特性。用數(shù)字PID(比例積分微分)模塊替代模擬PID電路,提高了頻率鎖定的動態(tài)范圍,提高激光器的長期穩(wěn)定性,將半導體激光器連續(xù)鎖定時間由此前的幾小時提高到7天以上。(三)設計實現(xiàn)原子干涉儀用半導體激光器智能鎖頻系統(tǒng)。設計了智能鎖頻電路,編寫了控制程序;利用智能鎖頻系統(tǒng)實現(xiàn)了激光器的自動鎖定,將激光器鎖定系統(tǒng)連續(xù)運行周期延長至15天以上。(四)設計了基于LDO(Low Dropout Regulator)的超低噪聲電源,其時域噪寬低達2mV,頻域噪聲PSD低至-130dBm,全部低達儀器的測量極限,完全替代鋰電池作為敏感電路的電源。并且研究了激光器伺服電路中的電磁干擾問題,抑制了數(shù)字模擬混合電路的噪聲,最終將伺服電路系統(tǒng)的誤差信號的信噪比提高了6倍。
[Abstract]:Atomic interferometer has become a high precision measurement tool and has been widely used in scientific research and technical applications. Semiconductor lasers as an important part of atomic interferometer, Both its frequency and amplitude stability directly determine the performance of the interferometer. The development of high performance atomic interferometer can not be separated from a stable and reliable laser system. The systematic research work on frequency control of semiconductor lasers has been carried out. The main innovative achievements are as follows: (1) the drive source of digital acousto-optic modulator is designed. The phase noise of the drive source of the digital acousto-optic modulator is measured experimentally, and the frequency stability of the drive source is evaluated with the Aron variance. The key factors affecting the frequency stability of DDSs (Direct Digital Frequency synthesizer) are studied. The key circuit in DDS, the Fifth order Elliptic Bandpass filter, is designed and the s parameters of the Fifth order Elliptic Bandpass filter are analyzed by network analyzer. The results are better than that of the same commodity instrument. (2) A set of saturated-absorption-stabilized servo frequency stabilization circuit based on the principle of locked phase locked amplifier is designed, and the frequency and temperature response of the external cavity frequency stabilized semiconductor laser are studied. The saturated-absorption frequency stabilizer is established. The output frequency of the semiconductor laser diode DL100 / DFB is successfully locked on the saturated absorption peak of rubidium atom. The attenuation characteristics of the loop filter are improved by replacing the analog PID circuit with the digital PID (proportional integral differential) module. The dynamic range of frequency locking is improved, and the long-term stability of laser is improved. The continuous locking time of semiconductor laser is increased from several hours to more than 7 days. (3) the intelligent frequency locking system of semiconductor laser for atomic interferometer is designed and the intelligent frequency locking circuit is designed and the control program is compiled. The automatic locking of the laser is realized by using the intelligent frequency locking system. The continuous operation period of the laser locking system is extended to more than 15 days. (4) the ultra-low noise power supply based on LDO(Low Dropout regulator is designed. The time-domain noise width is as low as 2 MV, the frequency domain noise PSD is as low as -130 dBm. the measuring limit of all the low-reach instruments is completely replaced by the lithium battery as the power source of the sensitive circuit. The electromagnetic interference problem in the laser servo circuit is also studied. The noise of the digital analog hybrid circuit is suppressed and the signal-to-noise ratio of the error signal of the servo circuit system is improved by 6 times.
【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】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH744.3;TN248.4

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本文編號：1520003