激光稳频中振动和剩余幅度调制的分析与控制

发布时间：2017-09-12 13:23

  本文关键词：激光稳频中振动和剩余幅度调制的分析与控制

  更多相关文章： 光频率标准 光腔 激光稳频 开环响应 振动主动隔离 机械谐振 电阻尼 剩余幅度调制 寄生标准具

【摘要】：超稳光频振荡器由于其具有很高的光谱纯度和频率稳定度而被广泛地应用于各种研究领域,例如光频率标准、高精密光谱、干涉仪的引力波探测和超稳微波信号产生等。Pound-Drever-Hall (PDH)锁频技术是获得窄线宽稳频激光的有效的途径之一,它通过将激光锁定在高细度光腔的谐振峰之上来提高激光的频率稳定度。在PDH激光稳频中,周围环境的振动和剩余幅度调制(RAM)是很可能成为影响激光频率稳定度的两个重要因素。为了提高频率稳定度,本文重点围绕振动的主动隔离、RAM的定量分析和RAM的主动控制进行探索和研究。首先详细地测量和分析了运算放大器的开环响应,为后续对激光稳频系统中各种反馈控制环路的设计和优化打下基础。集成运放作为激光稳频、振动和RAM的主动控制等反馈控制系统中伺服电路的重要组成部分,其开环响应会较大地影响控制系统的稳定性和一些其它相关特性。本文利用三种不同的方法测量和分析了运放(LF356)的开环响应,得到了开环直流增益和3 dB带宽。实验测量和分析发现一定情况下运放的闭环响应受到开环响应的限制,因而在设计和优化高增益、宽带宽的电路时,须考虑运放的开环响应,才能得到更接近实际情况的响应特性。为了使测量系统免于环境中振动的影响,本文研究了一种基于压电陶瓷和压电加速度计的小型振动主动控制系统。采用电阻尼的方式代替机械阻尼来对系统的机械谐振进行有效地压制,改善了系统的高频响应。一个辅助的环路使用附着在PZT上的应变片探测位移变化,来消除由大的伺服电路增益引起的直流漂移,保证反馈控制工作点的稳定。通过这些改进后,系统振动的压制带宽为1～200 Hz,最大衰减量在～20 Hz处,为60倍。为了对更低频率的振动进行压制,还实现并讨论了采用音圈电机作为执行器件振动主动控制方案。实验测量发现采用主动控制后,振动噪声被压制到1×10-7g/Hz1/2(1-20 Hz),控制带宽为2 Hz-600 Hz,最大压制比在20Hz处,约为100倍。通过建立系统的环路模型和噪声分析,还分析了系统的噪声来源和可行的改进措施。我们在理论上推导了包含RAM的PDH误差信号,并分析了由电光晶体双折射效应和寄生标准具效应产生的RAM的定量模型。当仅考虑晶体双折射效应而没有寄生标准具效应时,在存在高细度光腔情况下的RAM模型仅仅引入了一个与光腔的对比度相关的常数因子,而并没有改变RAM的特性。提高光腔的对比度将有利于降低RAM的影响。此外当寄生标准具处于几个典型位置时,系统地分析了RAM对PDH误差信号和锁频频移的影响。利用数值计算讨论了高细度光腔的入射面或出射面与光腔发生耦合情况下的RAM特性。在实验上,本文实现并详细分析了采用独立一路进行RAM主动控制的方案。该方案在EOM前插入一块电光晶体来改善环路的高频响应,缓慢的温度控制环路具有较大的动态范围和高的低频增益,用于获得稳定的宽带宽的控制环路。当RAM主动控制闭环后,在平均时间为0.02-1000s范围内RAM被压制到小于1×10-6,在平均时间为～2s时达到最小值2×10-7。相应的RAM引起的频率不稳定度小于光腔的热噪声1×10-15(0.02 s-1000 s)。通过对比两种设置下的压制比,一种设置是当激光没有被锁定时直接测量环外RAM信号,另一种是观测被扰动的激光和稳定的参考激光之间的外差拍频,在实验上证实了高细度光腔的引入不会改变由晶体双折射效应产生的RAM的特性,确定该方案在PDH锁频一路能获得与RAM控制一路相同的RAM压制效果。
【关键词】：光频率标准 光腔 激光稳频 开环响应 振动主动隔离 机械谐振 电阻尼 剩余幅度调制 寄生标准具
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN753.2
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 引言14-28
• 1.1 研究背景14-17
• 1.2 PDH-激光稳频简介17-21
• 1.2.1 PDH技术的基本物理思想17-20
• 1.2.2 影响频率稳定度的噪声源20-21
• 1.3 环境振动的隔离21-23
• 1.3.1 被动振动隔离介绍21-22
• 1.3.2 主动振动隔离介绍22-23
• 1.3.3 主动振动隔离系统的研究意义23
• 1.4 剩余幅度调制及其控制23-27
• 1.4.1 剩余幅度调制的背景介绍23-26
• 1.4.2 剩余幅度调制的研究意义26-27
• 1.5 论文主要内容介绍27-28
• 2 PDH稳频的定量分析28-44
• 2.1 PDH稳频的误差信号28-34
• 2.1.1 光场的相位调制29-30
• 2.1.2 PDH误差信号30-31
• 2.1.3 慢调制近似：量化概念模型31-32
• 2.1.4 快调制近似：实际的PDH误差信号32-34
• 2.2 晶体双折射效应引起的RAM34-36
• 2.3 寄生标准具效应引起的RAM36-38
• 2.4 稳频系统的一般数学模型38-42
• 2.4.1 反馈控制系统数学模型38-40
• 2.4.2 反馈控制系统的噪声模型40-42
• 2.5 小结42-44
• 3 集成运放开环响应的测量44-63
• 3.1 介绍44-45
• 3.2 运算放大器的基本结构和电路模型45-51
• 3.2.1 运放的基本结构45-46
• 3.2.2 想运放的特征46-47
• 3.2.3 非理想运放的等效电路47-48
• 3.2.4 开环响应与闭环响应48-51
• 3.3 运放开环响应测量51-61
• 3.3.1 逆推法-由闭环反推开环52-55
• 3.3.2 运放闭环测量55-58
• 3.3.3 直接开环测量58-60
• 3.3.4 三种方法的比较60-61
• 3.4 小结61-63
• 4 振动的主动控制63-105
• 4.1 介绍63-64
• 4.2 使用压电陶瓷的振动主动控制64-83
• 4.2.1 微弱振动的测量64-67
• 4.2.2 压电陶瓷的响应测量67-70
• 4.2.3 谐振峰的压制---电阻尼70-72
• 4.2.4 直流漂移抑制和环路响应72-81
• 4.2.5 闭环控制效果和噪声分析81-83
• 4.3 振动控制带宽的低频延展83-103
• 4.3.1 低频延展的可行性分析83-85
• 4.3.2 音圈电机动子的位移控制85-93
• 4.3.3 系统环路响应设计93-96
• 4.3.4 振动噪声测量与分析96-101
• 4.3.5 讨论101-103
• 4.4 小结103-105
• 5 剩余幅度调制的定量分析105-148
• 5.1 存在晶体双折射效应下的PDH误差信号模型105-110
• 5.1.1 被相位调制的光与光腔相互作用的光场106-109
• 5.1.2 晶体双折射下的PDH误差信号109-110
• 5.2 高细度腔、快调制下的近似模型110-121
• 5.2.1 光腔的反射率及其近似110-111
• 5.2.2 高细度腔、快调制下的误差信号111-115
• 5.2.3 非严格正交探测时吸收项对误差信号的贡献115-118
• 5.2.4 折射效应下误差信号中的RAM118-119
• 5.2.5 只存在双折射效应下的锁频偏差分析119-121
• 5.3 寄生标准具效应对PDH误差信号的影响121-145
• 5.3.1 寄生标准具(低细度光腔)的传输特性122
• 5.3.2 由晶体双折射和寄生标准具效应产生的RAM122-125
• 5.3.3 存在晶体双折射和寄生标准具效应的误差信号125-128
• 5.3.4 三种情况下误差信号中的RAM及其简单近似128-134
• 5.3.5 考虑反射面与光腔耦合下的RAM的数值计算134-145
• 5.4 小结145-148
• 6 剩余幅度调制的主动控制148-176
• 6.1 介绍148-150
• 6.2 实验原理和装置150-154
• 6.2.1 基本原理150-151
• 6.2.2 实验装置151-154
• 6.3 反馈环路分析154-167
• 6.3.1 激光经过双电光晶体调制后的RAM154-157
• 6.3.2 环路响应157-158
• 6.3.3 实验的关键环节158-167
• 6.4 RAM主动控制效果167-171
• 6.5 在PDH稳频中RAM控制效果的验证171-174
• 6.6 小节174-176
• 7 总结与展望176-181
• 7.1 研究总结176-179
• 7.2 展望179-181
• 附录181-201
• A 音圈电机的驱动电路181-184
• B 电涡流式位移传感器的特性184-187
• C 振动主动控制的伺服电路图187-189
• D 三种情况下RAM的数值计算189-200
• E 在2Ω处解调的RAM200-201
• 参考文献201-216
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果216-217
• 作者简介216
• 获奖情况216-217
• 发表的学术论文与研究成果21

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