星载激光稳频原理演示系统的研制

发布时间：2018-02-02 09:38

  本文关键词： 星间激光测距 星载激光稳频 光学超稳腔 PDH锁定 数字反馈控制　出处：《华中科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：此博士论文的研究工作主要是为星间激光干涉精密测距项目建立一套星载激光稳频系统的原理演示系统。此激光稳频系统最终需要满足能够实现星载要求,以及激光频率噪声在0.01 Hz～10 Hz频段内小于30 Hz/√Hz,而初代的原理演示系统以这个需求为最终目的探索研究方案的可行性与性能分析。此原理样机采用Pound-Drever-Hall(PDH)激光稳频方法把一台Nd:YAG固体激光器的频率通过反馈控制锁定在一个超稳Fabry-Perot(F-P)腔的谐振峰上,为了使光路系统在卫星发射前后保持牢固和稳定,F-P腔及其模式匹配和耦合光路通过氢氧根粘结技术制作成准单片式的集成超稳光学平台,其余PDH光路采用全光纤器件进行连接以满足空间任务对光路系统的轻便、抗冲击与稳定的要求；为了满足空间任务对控制器的智能化和稳定性的要求,在这个演示系统中,激光的频率通过一个自主设计的多功能内外环数字控制器进行反馈控制,控制器带有自分析和诊断功能,以及自动锁定与自动重锁功能,控制带宽30 kHz以上,满足激光器频率控制的带宽要求；在演示系统的地面模拟中,为了去除地面环境因素的干扰,超稳光学平台采用特殊设计的真空系统去除环境气流、气压的干扰,温控系统主动抑制温度涨落的影响,商用的主动隔振平台抑制地面振动噪声的干扰等。地面模拟工作为了最终验证方案样机的可行性,作为下一代工程样机的理论和经验基础。博士论文研究工作中的整体系统和部分关键技术是目前国内唯一的关于星载激光稳频技术的研究,填补了国内的空白。论文的工作围绕星载激光稳频系统的全部设计、搭建以及实验测试,其中包括：1)单片式F-P腔超稳光学平台的腔耦合、模式匹配精密光路设计、平台几何参数和支撑方案的有限元最优化设计,以及基于氢氧根催化粘结的超低热膨胀ULE(Ultra-low Expansion)玻璃材料平台的实验制作;2)与其匹配的小型化真空系统、温度稳定系统的设计、搭建以及实验测试,最终系统的真空度维持在2x10-7 mbar量级、环内温度涨落噪声控制在0.7 mK以内,另外隔声、主动隔振等环境噪声隔离系统的测试分析显示了高达40 dB的音频隔离度以及隔振后10-7 g/√Hz水平的剩余振动噪声；3)全光纤PDH稳频光路系统的搭建与调试,以及带自分析能力的多功能FPGA (Field Programmable Gate Array)数字控制器的设计和搭建；4)对激光频率的锁定实验和一系列参数优化等调试以及锁定后闭环特性的分析测试等。为了测试激光频率的实际稳定度,演示系统中频率锁定后的激光通过一根25 m长的保偏光纤引入另一个实验室,与另一个亚赫兹水平的超稳钟激光进行拍频比对。25 m长保偏光纤在自由状态下对远端的输出激光附加了高达10 Hz/√Hz的频率噪声,通过一个光学锁相环把光纤出射端的激光与本地的激光相位进行反馈锁定而作相位噪声补偿后,由光纤引入的总体闭环环内频率噪声在0.01 Hz～10 Hz频段内抑制到低于0.015Hz/VHz水平,远低于锁定后激光本身的频率噪声,可以忽略不计。初步的拍频测量结果显示短期线宽约为50 Hz水平；频率噪声在0.7 Hz～10 Hz频段内低于30 Hz/VHz,而在0.7 Hz以下的较低频段激光频率噪声比较高,还需要进一步的改进；阿伦偏差在1s积分时间处为1.75×10-12,在0.1 s的积分时间处为2.15×10-13。此外,博士学习的前期工作还包括为铝离子光频标系统初步搭建以及分析测试了两套超稳激光系统,这两套超稳激光分别是要作为铝离子钟跃迁的钟激光以及探测光。通过PDH稳频把两套半导体激光器锁定在两套独立的高精细度商用超稳腔系统上,在本人为此项目研究的期间,初步获得了2 Hz的拍频线宽和2×10-14阿伦偏差的频率稳定度,为其以后进一步的实验和优化工作打定基础。同时,通过有限元仿真设计了一个新型的反嵌式低热噪声30 cm超稳腔,其有效零膨温度可以根据材料的本征特性进行弹性调节,解决了复合型超稳腔零膨温度过低的难点,此设计将作为铝离子钟激光系统的下一代超稳腔的制作蓝本。
[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 .

【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN249
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本文编号：1484207