發(fā)布時間：2017-09-12 13:23

  本文關(guān)鍵詞：激光穩(wěn)頻中振動和剩余幅度調(diào)制的分析與控制

  更多相關(guān)文章： 光頻率標準 光腔 激光穩(wěn)頻 開環(huán)響應 振動主動隔離 機械諧振 電阻尼 剩余幅度調(diào)制 寄生標準具

【摘要】：超穩(wěn)光頻振蕩器由于其具有很高的光譜純度和頻率穩(wěn)定度而被廣泛地應用于各種研究領(lǐng)域,例如光頻率標準、高精密光譜、干涉儀的引力波探測和超穩(wěn)微波信號產(chǎn)生等。Pound-Drever-Hall (PDH)鎖頻技術(shù)是獲得窄線寬穩(wěn)頻激光的有效的途徑之一,它通過將激光鎖定在高細度光腔的諧振峰之上來提高激光的頻率穩(wěn)定度。在PDH激光穩(wěn)頻中,周圍環(huán)境的振動和剩余幅度調(diào)制(RAM)是很可能成為影響激光頻率穩(wěn)定度的兩個重要因素。為了提高頻率穩(wěn)定度,本文重點圍繞振動的主動隔離、RAM的定量分析和RAM的主動控制進行探索和研究。首先詳細地測量和分析了運算放大器的開環(huán)響應,為后續(xù)對激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中各種反饋控制環(huán)路的設(shè)計和優(yōu)化打下基礎(chǔ)。集成運放作為激光穩(wěn)頻、振動和RAM的主動控制等反饋控制系統(tǒng)中伺服電路的重要組成部分,其開環(huán)響應會較大地影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和一些其它相關(guān)特性。本文利用三種不同的方法測量和分析了運放(LF356)的開環(huán)響應,得到了開環(huán)直流增益和3 dB帶寬。實驗測量和分析發(fā)現(xiàn)一定情況下運放的閉環(huán)響應受到開環(huán)響應的限制,因而在設(shè)計和優(yōu)化高增益、寬帶寬的電路時,須考慮運放的開環(huán)響應,才能得到更接近實際情況的響應特性。為了使測量系統(tǒng)免于環(huán)境中振動的影響,本文研究了一種基于壓電陶瓷和壓電加速度計的小型振動主動控制系統(tǒng)。采用電阻尼的方式代替機械阻尼來對系統(tǒng)的機械諧振進行有效地壓制,改善了系統(tǒng)的高頻響應。一個輔助的環(huán)路使用附著在PZT上的應變片探測位移變化,來消除由大的伺服電路增益引起的直流漂移,保證反饋控制工作點的穩(wěn)定。通過這些改進后,系統(tǒng)振動的壓制帶寬為1～200 Hz,最大衰減量在～20 Hz處,為60倍。為了對更低頻率的振動進行壓制,還實現(xiàn)并討論了采用音圈電機作為執(zhí)行器件振動主動控制方案。實驗測量發(fā)現(xiàn)采用主動控制后,振動噪聲被壓制到1×10-7g/Hz1/2(1-20 Hz),控制帶寬為2 Hz-600 Hz,最大壓制比在20Hz處,約為100倍。通過建立系統(tǒng)的環(huán)路模型和噪聲分析,還分析了系統(tǒng)的噪聲來源和可行的改進措施。我們在理論上推導了包含RAM的PDH誤差信號,并分析了由電光晶體雙折射效應和寄生標準具效應產(chǎn)生的RAM的定量模型。當僅考慮晶體雙折射效應而沒有寄生標準具效應時,在存在高細度光腔情況下的RAM模型僅僅引入了一個與光腔的對比度相關(guān)的常數(shù)因子,而并沒有改變RAM的特性。提高光腔的對比度將有利于降低RAM的影響。此外當寄生標準具處于幾個典型位置時,系統(tǒng)地分析了RAM對PDH誤差信號和鎖頻頻移的影響。利用數(shù)值計算討論了高細度光腔的入射面或出射面與光腔發(fā)生耦合情況下的RAM特性。在實驗上,本文實現(xiàn)并詳細分析了采用獨立一路進行RAM主動控制的方案。該方案在EOM前插入一塊電光晶體來改善環(huán)路的高頻響應,緩慢的溫度控制環(huán)路具有較大的動態(tài)范圍和高的低頻增益,用于獲得穩(wěn)定的寬帶寬的控制環(huán)路。當RAM主動控制閉環(huán)后,在平均時間為0.02-1000s范圍內(nèi)RAM被壓制到小于1×10-6,在平均時間為～2s時達到最小值2×10-7。相應的RAM引起的頻率不穩(wěn)定度小于光腔的熱噪聲1×10-15(0.02 s-1000 s)。通過對比兩種設(shè)置下的壓制比,一種設(shè)置是當激光沒有被鎖定時直接測量環(huán)外RAM信號,另一種是觀測被擾動的激光和穩(wěn)定的參考激光之間的外差拍頻,在實驗上證實了高細度光腔的引入不會改變由晶體雙折射效應產(chǎn)生的RAM的特性,確定該方案在PDH鎖頻一路能獲得與RAM控制一路相同的RAM壓制效果。
【關(guān)鍵詞】：光頻率標準 光腔 激光穩(wěn)頻 開環(huán)響應 振動主動隔離 機械諧振 電阻尼 剩余幅度調(diào)制 寄生標準具
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(武漢物理與數(shù)學研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN753.2
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 引言14-28
• 1.1 研究背景14-17
• 1.2 PDH-激光穩(wěn)頻簡介17-21
• 1.2.1 PDH技術(shù)的基本物理思想17-20
• 1.2.2 影響頻率穩(wěn)定度的噪聲源20-21
• 1.3 環(huán)境振動的隔離21-23
• 1.3.1 被動振動隔離介紹21-22
• 1.3.2 主動振動隔離介紹22-23
• 1.3.3 主動振動隔離系統(tǒng)的研究意義23
• 1.4 剩余幅度調(diào)制及其控制23-27
• 1.4.1 剩余幅度調(diào)制的背景介紹23-26
• 1.4.2 剩余幅度調(diào)制的研究意義26-27
• 1.5 論文主要內(nèi)容介紹27-28
• 2 PDH穩(wěn)頻的定量分析28-44
• 2.1 PDH穩(wěn)頻的誤差信號28-34
• 2.1.1 光場的相位調(diào)制29-30
• 2.1.2 PDH誤差信號30-31
• 2.1.3 慢調(diào)制近似：量化概念模型31-32
• 2.1.4 快調(diào)制近似：實際的PDH誤差信號32-34
• 2.2 晶體雙折射效應引起的RAM34-36
• 2.3 寄生標準具效應引起的RAM36-38
• 2.4 穩(wěn)頻系統(tǒng)的一般數(shù)學模型38-42
• 2.4.1 反饋控制系統(tǒng)數(shù)學模型38-40
• 2.4.2 反饋控制系統(tǒng)的噪聲模型40-42
• 2.5 小結(jié)42-44
• 3 集成運放開環(huán)響應的測量44-63
• 3.1 介紹44-45
• 3.2 運算放大器的基本結(jié)構(gòu)和電路模型45-51
• 3.2.1 運放的基本結(jié)構(gòu)45-46
• 3.2.2 想運放的特征46-47
• 3.2.3 非理想運放的等效電路47-48
• 3.2.4 開環(huán)響應與閉環(huán)響應48-51
• 3.3 運放開環(huán)響應測量51-61
• 3.3.1 逆推法-由閉環(huán)反推開環(huán)52-55
• 3.3.2 運放閉環(huán)測量55-58
• 3.3.3 直接開環(huán)測量58-60
• 3.3.4 三種方法的比較60-61
• 3.4 小結(jié)61-63
• 4 振動的主動控制63-105
• 4.1 介紹63-64
• 4.2 使用壓電陶瓷的振動主動控制64-83
• 4.2.1 微弱振動的測量64-67
• 4.2.2 壓電陶瓷的響應測量67-70
• 4.2.3 諧振峰的壓制---電阻尼70-72
• 4.2.4 直流漂移抑制和環(huán)路響應72-81
• 4.2.5 閉環(huán)控制效果和噪聲分析81-83
• 4.3 振動控制帶寬的低頻延展83-103
• 4.3.1 低頻延展的可行性分析83-85
• 4.3.2 音圈電機動子的位移控制85-93
• 4.3.3 系統(tǒng)環(huán)路響應設(shè)計93-96
• 4.3.4 振動噪聲測量與分析96-101
• 4.3.5 討論101-103
• 4.4 小結(jié)103-105
• 5 剩余幅度調(diào)制的定量分析105-148
• 5.1 存在晶體雙折射效應下的PDH誤差信號模型105-110
• 5.1.1 被相位調(diào)制的光與光腔相互作用的光場106-109
• 5.1.2 晶體雙折射下的PDH誤差信號109-110
• 5.2 高細度腔、快調(diào)制下的近似模型110-121
• 5.2.1 光腔的反射率及其近似110-111
• 5.2.2 高細度腔、快調(diào)制下的誤差信號111-115
• 5.2.3 非嚴格正交探測時吸收項對誤差信號的貢獻115-118
• 5.2.4 折射效應下誤差信號中的RAM118-119
• 5.2.5 只存在雙折射效應下的鎖頻偏差分析119-121
• 5.3 寄生標準具效應對PDH誤差信號的影響121-145
• 5.3.1 寄生標準具(低細度光腔)的傳輸特性122
• 5.3.2 由晶體雙折射和寄生標準具效應產(chǎn)生的RAM122-125
• 5.3.3 存在晶體雙折射和寄生標準具效應的誤差信號125-128
• 5.3.4 三種情況下誤差信號中的RAM及其簡單近似128-134
• 5.3.5 考慮反射面與光腔耦合下的RAM的數(shù)值計算134-145
• 5.4 小結(jié)145-148
• 6 剩余幅度調(diào)制的主動控制148-176
• 6.1 介紹148-150
• 6.2 實驗原理和裝置150-154
• 6.2.1 基本原理150-151
• 6.2.2 實驗裝置151-154
• 6.3 反饋環(huán)路分析154-167
• 6.3.1 激光經(jīng)過雙電光晶體調(diào)制后的RAM154-157
• 6.3.2 環(huán)路響應157-158
• 6.3.3 實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)158-167
• 6.4 RAM主動控制效果167-171
• 6.5 在PDH穩(wěn)頻中RAM控制效果的驗證171-174
• 6.6 小節(jié)174-176
• 7 總結(jié)與展望176-181
• 7.1 研究總結(jié)176-179
• 7.2 展望179-181
• 附錄181-201
• A 音圈電機的驅(qū)動電路181-184
• B 電渦流式位移傳感器的特性184-187
• C 振動主動控制的伺服電路圖187-189
• D 三種情況下RAM的數(shù)值計算189-200
• E 在2Ω處解調(diào)的RAM200-201
• 參考文獻201-216
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果216-217
• 作者簡介216
• 獲獎情況216-217
• 發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果21

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 楊威;黃偉;陳祖洋;鐘瑞卿;;電磁感應渦流加熱穩(wěn)頻系統(tǒng)設(shè)計[J];機械;2013年06期

2 金杰;馬翔;;1.5μm波段外腔半導體激光器穩(wěn)頻技術(shù)研究[J];半導體光電;2005年06期

3 傅文羽;四頻差動激光陀螺穩(wěn)頻系統(tǒng)研究[J];激光與光電子學進展;1999年S1期

4 孫延光;董作人;陳迪俊;葉青;蔡海文;瞿榮輝;龔尚慶;;基于數(shù)字反饋穩(wěn)頻的激光瓦斯遙測技術(shù)[J];中國激光;2013年04期

5 ;穩(wěn)頻方案的通盤考慮[J];電子管技術(shù);1971年05期

6 戴高良,殷純永,謝廣平;采用預測控制進行縱向塞曼幅值熱穩(wěn)頻的研究[J];中國激光;1998年05期

7 譚新洪,杜建邦;激光陀螺數(shù)字式穩(wěn)頻方法的研究[J];計量學報;2002年03期

8 林長浩;;1000米晶體穩(wěn)頻調(diào)頻立體聲發(fā)射機[J];電子制作;2004年09期

9 袁杰;陳徐宗;陳文蘭;齊向暉;伊林;汪中;陳景標;;外腔半導體激光器的設(shè)計與高次諧波穩(wěn)頻[J];紅外與激光工程;2007年02期

10 苑丹丹;胡姝玲;劉宏海;馬靜;;激光器穩(wěn)頻技術(shù)研究[J];激光與光電子學進展;2011年08期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 袁杰;陳文蘭;齊向輝;伊林;汪中;陳景標;陳徐宗;;可調(diào)諧半導體激光器的高精密驅(qū)動電源與穩(wěn)頻設(shè)計[A];2006年全國光電技術(shù)學術(shù)交流會會議文集（C 激光技術(shù)與應用專題）[C];2006年

2 陳國慶;;位相調(diào)制光外差激光穩(wěn)頻系統(tǒng)[A];中國科學技術(shù)協(xié)會首屆青年學術(shù)年會論文集（工科分冊·上冊）[C];1992年

3 陳光;朱琳;馮鴻輝;吳岳;;采用鎖相環(huán)穩(wěn)頻的波導型毫米波振蕩源[A];1999年全國微波毫米波會議論文集(上冊)[C];1999年

4 王力堅;沈秀英;陳涵奎;;微波固態(tài)源掃頻、穩(wěn)頻的計算機控制方法[A];1989年全國微波會議論文集（上）[C];1989年

5 楊仕鋒;周大偉;齊向暉;周小計;陳徐宗;;三次微分光譜技術(shù)在穩(wěn)頻以及氣體濃度檢測中的應用[A];第十四屆全國量子光學學術(shù)報告會報告摘要集[C];2010年

6 高業(yè)勝;鄭光金;趙耀;;乙炔氣體吸收半導體激光穩(wěn)頻技術(shù)研究[A];中國光學學會2010年光學大會論文集[C];2010年

7 陳會;甘體國;劉宏偉;熊文毅;;3毫米穩(wěn)頻脈沖雪崩管振蕩器研究[A];2001年全國微波毫米波會議論文集[C];2001年

8 鐘亮;周肇飛;黃偉;;He-Ne激光穩(wěn)頻技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[A];2006年全國光電技術(shù)學術(shù)交流會會議文集（C 激光技術(shù)與應用專題）[C];2006年

9 畢志毅;蔣燕義;方蘇;徐信業(yè);馬龍生;;1Hz線寬穩(wěn)頻激光[A];2009全國時間頻率學術(shù)會議論文集[C];2009年

10 唐先煒;趙華鳳;高海濱;馬曉紅;李曉芳;;計算機監(jiān)控FBG-ECLD乙炔吸收穩(wěn)頻技術(shù)[A];2007'中國儀器儀表與測控技術(shù)交流大會論文集（一）[C];2007年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 深圳 陳彪;低電壓、微功耗、微型電視信號發(fā)射機[N];電子報;2000年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 崔柳;基于腔調(diào)諧正交偏振光回饋理論及穩(wěn)頻回饋位移測量系統(tǒng)[D];清華大學;2009年

2 沈輝;激光穩(wěn)頻中振動和剩余幅度調(diào)制的分析與控制[D];中國科學院研究生院(武漢物理與數(shù)學研究所);2015年

3 劉芳;窄線寬染料激光穩(wěn)頻系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)及應用[D];中國科學院研究生院（武漢物理與數(shù)學研究所）;2013年

4 鄧文平;用高分辨中紅外激光研究分子光譜線形[D];中國科學技術(shù)大學;2008年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 黃良玉;用于鐿原子二級冷卻的556nm激光穩(wěn)頻研究[D];華東師范大學;2013年

2 馬翔;外腔半導體激光器穩(wěn)頻技術(shù)研究[D];天津大學;2006年

3 鮑璐璐;基于實心石英腔的激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的研制[D];華東師范大學;2011年

4 劉丹丹;用于新型原子鐘的外腔半導體激光器數(shù)字自動穩(wěn)頻系統(tǒng)研究[D];中國科學院研究生院（國家授時中心）;2010年

5 楊家慧;半導體制冷式氦氖激光器穩(wěn)頻技術(shù)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2007年

6 孫黎;半導體激光器穩(wěn)頻方法的對比研究[D];中北大學;2015年

7 李建;光柵外腔半導體激光器的設(shè)計制作與穩(wěn)頻[D];山西大學;2012年

8 陶天炯;激光穩(wěn)頻鎖相研究[D];浙江大學;2010年

9 曹云玖;調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜最佳吸收程的研究及其在激光穩(wěn)頻中的應用[D];華東師范大學;2006年

10 趙海龍;單縱模激光器主動穩(wěn)頻控制系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2007年

，

本文編號：837467