参考飞秒光频梳的半导体激光器偏频锁定技术研究

发布时间：2020-04-21 19:24

【摘要】：随着尖端航空航天技术和前沿基础科学研究的不断发展,人们对于大范围高精度的绝对距离测量需求日益提升。以双星地球重力场测量中的星间激光测距需求为例,为实现数百千米范围内微米量级的测量精度,要求激光干涉测量系统的相对测量精度达到10-10量级。考虑到太空环境无空气折射率的影响,激光真空波长精度(即激光频率)成为制约测量精度的关键,对激光频率精度的要求将达到10-12量级。基于碘频标的He-Ne激光器作为传统的激光波长溯源典型标准装置,自身频率精度被限制在10-11量级无法满足上述技术要求。飞秒光频梳参考时频基准进行稳频控制后,其单个梳齿的频率精度可以达到10-16量级。但由于单个梳齿功率过小,难以直接进行激光测距。蝶形封装分布反馈型(DFB)半导体激光器的输出功率普遍可以达到数十毫瓦以上,同时波长易通过电流及温度进行大范围调节,体积小巧适合用于激光测距。结合上述两种激光器的特性,参考飞秒光频梳的半导体激光偏频锁定技术对于大范围高精度星间激光测距的实现具有潜在重大意义。在上述研究背景与技术需求条件下,本文进行了如下研究工作:(1)针对参考飞秒光频梳的半导体激光器偏频锁定控制要求两者拍频信号的信噪比高于30d B,直接干涉难以达到需求的问题。本文首先建立了两者拍频信号的信噪比数学模型,以此为基础对影响信噪比的各个参数进行定量分析,实现了对光栅空间光谱分离型干涉光路的优化设计,优化后的干涉光路可实现43d B信噪比的拍频信号输出,与理论计算得到的该光路信噪比极限相吻合。(2)针对DFB半导体激光器自由运行状态下频率快速抖动与大范围漂移的问题,本文研制了基于电流调谐的数字预稳频控制关键单元,对拍频信号进行数字鉴频、数字滤波和信号整形,并通过精密调节DFB半导体激光器的驱动电流实现其频率的高精度预控制,使DFB半导体激光器对参考飞秒光频梳的跟踪锁定精度达到±455k Hz(1小时)。(3)针对DFB半导体激光器线宽大,电流调谐灵敏度过高导致数字预稳频精度难以满足要求的问题。研制了基于声光移频器(AOFS)的前馈控制关键单元,细致分析了利用声光移频器进行前馈控制的作用机理,设计并实现了实验装置,验证了对DFB半导体激光器相位噪声的抑制效果。结合该前馈控制单元与数字预稳频控制单元,实现了DFB半导体激光器参考飞秒光频梳的偏频锁定,跟踪锁定误差小于±6.8Hz,当飞秒光频梳频率稳定度为10-16时,对应的半导体激光器频率相对精度可达到3.5×10-14,已经可以满足大部分星间激光测距需求。(4)针对以引力波探测为代表的星间激光测距极限需求,继续探索了DFB半导体激光器对参考飞秒光频梳的光学锁相技术。对锁相环的原理进行了深入研究,研制了高性能的锁相环电路并进行了等效实验。在此基础上,利用AOFS作为光压控振荡器(OVCO),搭建了光学锁相系统并构建了其系统模型。分析了激光线宽、环路增益和环路延迟三个核心参数对于光学锁相能否实现的关键作用。
【图文】：

- 3 -图 1-1 半导体激光器外腔结构[34]Littrow 结构主要由激光二极管、抗反射膜、准直透镜和 Littrow 光栅组原理可以描述为：激光二极管输出激光经过准直透镜入射到光栅产生 0 级

图 1-2 半导体激光器主动稳频原理考的不同类型，，半导体激光器的主动频率控制方参考稳频。无源参考激光频率控制方法是利用激作用得到参考频率谱线，并将谱线的一侧作为鉴率值进行反馈控制。其中，法布里-珀罗(FP)腔
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248.4

【参考文献】

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本文编号：2635645