本文關(guān)鍵詞： 星間激光測(cè)距 星載激光穩(wěn)頻 光學(xué)超穩(wěn)腔 PDH鎖定 數(shù)字反饋控制　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：此博士論文的研究工作主要是為星間激光干涉精密測(cè)距項(xiàng)目建立一套星載激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的原理演示系統(tǒng)。此激光穩(wěn)頻系統(tǒng)最終需要滿足能夠?qū)崿F(xiàn)星載要求,以及激光頻率噪聲在0.01 Hz～10 Hz頻段內(nèi)小于30 Hz/√Hz,而初代的原理演示系統(tǒng)以這個(gè)需求為最終目的探索研究方案的可行性與性能分析。此原理樣機(jī)采用Pound-Drever-Hall(PDH)激光穩(wěn)頻方法把一臺(tái)Nd:YAG固體激光器的頻率通過(guò)反饋控制鎖定在一個(gè)超穩(wěn)Fabry-Perot(F-P)腔的諧振峰上,為了使光路系統(tǒng)在衛(wèi)星發(fā)射前后保持牢固和穩(wěn)定,F-P腔及其模式匹配和耦合光路通過(guò)氫氧根粘結(jié)技術(shù)制作成準(zhǔn)單片式的集成超穩(wěn)光學(xué)平臺(tái),其余PDH光路采用全光纖器件進(jìn)行連接以滿足空間任務(wù)對(duì)光路系統(tǒng)的輕便、抗沖擊與穩(wěn)定的要求；為了滿足空間任務(wù)對(duì)控制器的智能化和穩(wěn)定性的要求,在這個(gè)演示系統(tǒng)中,激光的頻率通過(guò)一個(gè)自主設(shè)計(jì)的多功能內(nèi)外環(huán)數(shù)字控制器進(jìn)行反饋控制,控制器帶有自分析和診斷功能,以及自動(dòng)鎖定與自動(dòng)重鎖功能,控制帶寬30 kHz以上,滿足激光器頻率控制的帶寬要求；在演示系統(tǒng)的地面模擬中,為了去除地面環(huán)境因素的干擾,超穩(wěn)光學(xué)平臺(tái)采用特殊設(shè)計(jì)的真空系統(tǒng)去除環(huán)境氣流、氣壓的干擾,溫控系統(tǒng)主動(dòng)抑制溫度漲落的影響,商用的主動(dòng)隔振平臺(tái)抑制地面振動(dòng)噪聲的干擾等。地面模擬工作為了最終驗(yàn)證方案樣機(jī)的可行性,作為下一代工程樣機(jī)的理論和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。博士論文研究工作中的整體系統(tǒng)和部分關(guān)鍵技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)唯一的關(guān)于星載激光穩(wěn)頻技術(shù)的研究,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白。論文的工作圍繞星載激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的全部設(shè)計(jì)、搭建以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試,其中包括：1)單片式F-P腔超穩(wěn)光學(xué)平臺(tái)的腔耦合、模式匹配精密光路設(shè)計(jì)、平臺(tái)幾何參數(shù)和支撐方案的有限元最優(yōu)化設(shè)計(jì),以及基于氫氧根催化粘結(jié)的超低熱膨脹ULE(Ultra-low Expansion)玻璃材料平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)制作;2)與其匹配的小型化真空系統(tǒng)、溫度穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、搭建以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試,最終系統(tǒng)的真空度維持在2x10-7 mbar量級(jí)、環(huán)內(nèi)溫度漲落噪聲控制在0.7 mK以內(nèi),另外隔聲、主動(dòng)隔振等環(huán)境噪聲隔離系統(tǒng)的測(cè)試分析顯示了高達(dá)40 dB的音頻隔離度以及隔振后10-7 g/√Hz水平的剩余振動(dòng)噪聲；3)全光纖PDH穩(wěn)頻光路系統(tǒng)的搭建與調(diào)試,以及帶自分析能力的多功能FPGA (Field Programmable Gate Array)數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)和搭建；4)對(duì)激光頻率的鎖定實(shí)驗(yàn)和一系列參數(shù)優(yōu)化等調(diào)試以及鎖定后閉環(huán)特性的分析測(cè)試等。為了測(cè)試激光頻率的實(shí)際穩(wěn)定度,演示系統(tǒng)中頻率鎖定后的激光通過(guò)一根25 m長(zhǎng)的保偏光纖引入另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室,與另一個(gè)亞赫茲水平的超穩(wěn)鐘激光進(jìn)行拍頻比對(duì)。25 m長(zhǎng)保偏光纖在自由狀態(tài)下對(duì)遠(yuǎn)端的輸出激光附加了高達(dá)10 Hz/√Hz的頻率噪聲,通過(guò)一個(gè)光學(xué)鎖相環(huán)把光纖出射端的激光與本地的激光相位進(jìn)行反饋鎖定而作相位噪聲補(bǔ)償后,由光纖引入的總體閉環(huán)環(huán)內(nèi)頻率噪聲在0.01 Hz～10 Hz頻段內(nèi)抑制到低于0.015Hz/VHz水平,遠(yuǎn)低于鎖定后激光本身的頻率噪聲,可以忽略不計(jì)。初步的拍頻測(cè)量結(jié)果顯示短期線寬約為50 Hz水平；頻率噪聲在0.7 Hz～10 Hz頻段內(nèi)低于30 Hz/VHz,而在0.7 Hz以下的較低頻段激光頻率噪聲比較高,還需要進(jìn)一步的改進(jìn)；阿倫偏差在1s積分時(shí)間處為1.75×10-12,在0.1 s的積分時(shí)間處為2.15×10-13。此外,博士學(xué)習(xí)的前期工作還包括為鋁離子光頻標(biāo)系統(tǒng)初步搭建以及分析測(cè)試了兩套超穩(wěn)激光系統(tǒng),這兩套超穩(wěn)激光分別是要作為鋁離子鐘躍遷的鐘激光以及探測(cè)光。通過(guò)PDH穩(wěn)頻把兩套半導(dǎo)體激光器鎖定在兩套獨(dú)立的高精細(xì)度商用超穩(wěn)腔系統(tǒng)上,在本人為此項(xiàng)目研究的期間,初步獲得了2 Hz的拍頻線寬和2×10-14阿倫偏差的頻率穩(wěn)定度,為其以后進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化工作打定基礎(chǔ)。同時(shí),通過(guò)有限元仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的反嵌式低熱噪聲30 cm超穩(wěn)腔,其有效零膨溫度可以根據(jù)材料的本征特性進(jìn)行彈性調(diào)節(jié),解決了復(fù)合型超穩(wěn)腔零膨溫度過(guò)低的難點(diǎn),此設(shè)計(jì)將作為鋁離子鐘激光系統(tǒng)的下一代超穩(wěn)腔的制作藍(lán)本。
[Abstract]:In this demonstration system , the frequency of the laser is controlled by a multi - functional internal and external ring digital controller with self - analysis and diagnosis function , and the control bandwidth is over 30 kHz . In order to satisfy the requirement of space task on the intelligent and stability of the optical path system , the design , construction and experimental test of the ultra - low thermal expansion ULE ( Ultra - low Expansion ) glass material platform based on the catalytic bonding of hydrogen and oxygen are adopted . In order to test the actual stability of the laser frequency , the frequency noise of the laser at the output end of the demo system is reduced below 0.015Hz / VHz in the frequency range of 0.01 Hz to 10 Hz , and the frequency noise of the two sets of ultra - stable lasers is 1 . 75 脳 10 - 12 in the frequency range of 0 . 1 s .

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN249
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本文編號(hào)：1484207