可搬运窄线宽稳频激光系统的研制

发布时间：2020-06-26 07:59

【摘要】：超窄线宽稳频激光在原子光钟、高精密激光光谱、基本物理常数测量等领域有着重要的应用。随着研究应用的进一步发展,稳频激光系统的工作环境也从实验室逐渐扩展至室外,而对于空间引力波探测来说更是需要将窄线宽稳频激光作为探测光源送至太空,因此实现振动敏感度低且实现可搬运稳频系统日益迫切。针对可搬运窄线宽稳频激光的应用需求,本文通过数值模拟计算,设计了10 cm正方体四点对角支撑光学参考腔,该光学参考腔具有搬运特性,本文通过数值模拟计算,分别计算了光学参考腔受力和受加速度后产生的形变,分析了镜面不同光斑位置对振动敏感度的影响,从而得到该光学参考腔的振动敏感度。通过将光学腔与外围热屏蔽层之间的热传递模型等效为多级RC积分电路,研究光学腔的温度对外界环境温度变化的响应特性,并设计了温度变化不敏感的光学参考腔的热屏蔽层。实验中,加工了可搬运的立方体光学参考腔,并测试精细度、对比度等光学性能。搭建了光学参考腔系统,通过振动敏感度测试,得到各方向的振动敏感度约为2×10~(-10)/g。利用PDH技术,实现将激光的频率分别锁定在同一个立方体上的两个光学参考腔的谐振频率上。将两套cubic参考腔稳频系统进行拍频,获得频率不稳定度为7.4×10~(-16),单套为5.2×10~(-16)(1 s的积分时间),接近热噪声限制的激光频率稳定度。利用飞秒光梳和光频光纤精密传输系统,测量了位于不同实验室的频率稳定度为3×10~(-16)的578 nm稳频激光与锁定于cubic参考腔的1064 nm激光之间的拍频信号,得到拍频信号的频率不稳定度为1.6×10~(-15)(1 s的积分时间)。该激光系统将为高精度光钟频率比对和引力波探测等研究提供高性能的参考光源及探测激光。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24
【图文】：

原理图,稳频技术,原理图

目前实现窄线宽激光技术中，Pound-Drever-Hal（lPDH）技术以其低噪速响应的特性而被广泛应用。该技术是将激光的频率高精度的锁定在光学参考腔上达到散粒噪声极限，得到赫兹或亚赫兹的激光线宽输出本章先介绍 PDH 稳频技术的基本原理，然后介绍 F-P 光学参考腔腔因素以及噪声分析。1 PDH 稳频技术的基本原理上世纪八十年代，Drever 等人利用微波振荡器稳频方法[7]对激光相位制，通过伺服系统控制将激光频率锁定在光学参考腔的共振频率上，得的小于 100 Hz[8]，即所谓的 PDH 稳频技术。

腔模,正方体,光学,实物

图 3.1 10 cm 正方体光学参考腔模型与实物图。x 轴与 y 轴分别为两个光轴，黄色箭头：在 z 轴施加加速度 9.8 m/s2,方向竖直向下，腔体中红色箭头：在支撑方个锥孔底面施加 F = 1 N 的力，方向垂直于个锥面且指向方腔中心。考虑方腔固定支撑受力对腔长变化的影响情况，通过有限元分析软腔进行竖直模拟计算分析。在 ANSYS 软件中建立静态模型程序分析，圆锥孔底面（直径 2 mm）各施加 F = 1 N 的力，各力的方向均垂直于锥并且指向方腔的中心。图 3.2 针对顶角切割不同长度时腔长的相对变化切割边长在 8 至 14 mm 时，两个光轴方向的腔长变化量均小于 5 ×10-13长对外界施加压力不敏感。当受力增大时，腔长变化量相应增大，趋势结合计算结果与实验固定安装方腔的要求，实验系统中方腔的切割边13.5 mm。

【参考文献】