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《中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)》 2017年
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激光稳频中精密控温的研究

王佳  
【摘要】:高频率稳定度的窄线宽稳频激光在精密光谱、光频率标准、引力波探测等精密测量研究领域有着重要的应用。利用Pound-Derver-Hall(PDH)锁频方法将激光频率锁定在高精细度参考腔的共振频率上,可以获得高频率稳定度的窄线宽激光。在PDH稳频技术中,腔稳频激光的频率稳定度很大程度上取决于光学参考腔的长度稳定性。参考腔温度稳定性是影响其腔长稳定性的重要因素,因此也是影响腔稳频激光频率稳定度的重要因素。为了降低参考腔温度波动对腔稳频激光频率稳定度的影响,本文主要围绕提高参考腔温度稳定性来进行相应的研究。首先以竖腔真空室为控温对象,测量和分析了优化后的温控系统各部分及总体的开环响应。这为后续对系统进行噪声分析和搭建激光稳频系统中20cm参考腔的两级温控系统打下了基础。通过温控系统对温度阶跃变化的瞬态响应特性来优化系统的性能指标,是对其进行响应分析的基础。对温控系统进行响应分析的主要目的在于优化其性能指标。根据温控系统的开环响应特性,初步研究了系统的稳定性。为了研究自制温控电路控温精度的限制因素,本文对温控系统进行了噪声分析。为此建立了温控系统的噪声模型,然后定量分析了温控系统中各部分噪声对温度噪声的贡献,确定了温度噪声的主要来源。分别采用自制"同相放大"温控电路和在前者基础上进行改进后的"仪表放大"温控电路对竖腔真空室进行控温,并对这两种温控系统的温度噪声进行了测量和分析,初步验证了温控系统噪声模型。经分析发现,这两种温控系统环内温度噪声最终均受限于闭环控制后由于环路增益有限导致的环内剩余环境温度噪声。"同相放大"温控系统环外温度噪声最终受限于单臂电桥输出端噪声,而"仪表放大"温控系统环外温度噪声则最终受限于惠斯通电桥输出端噪声和仪表放大器输入端噪声。此外简单地讨论了提高实验室现有真空室温控系统控温精度的方法。基于上述工作,我们搭建了激光稳频系统中20cm参考腔的两级精密温控系统。首先采用三路独立的"仪表放大"温控电路分别对光学参考腔所处真空室的两端盖和侧壁进行控温,然后将整个真空系统放入自制恒温箱内实现第二级控温。在两级温控系统闭环稳定工作后,通过环外独立的测温热敏电阻,长时间监测室内环境温度波动、恒温箱内空气温度波动、及真空室上各位置温度波动。在长达21天的测量时间内,室内环境温度波动约为0.45℃,恒温箱内空气温度波动约为4mK,而真空室上各位置温度波动约为O.1mK~0.2mK。经分析发现,在10-6Hz~10-3Hz区域,两级温控系统对室内温度噪声有至少约2200倍衰减。为了进一步提高参考腔的温度稳定性,我们通过在真空室外壁和参考腔之间设置两层热屏蔽层来降低两者之间的热量传递速率。我们建立了内有两层热屏蔽层的参考腔真空系统的热量传递模型,用于估算参考腔温度波动。与此同时将参考腔温度控制在其零膨胀温度点,有效降低其腔长对参考腔温度的敏感度。根据传热模型,由真空室外壁温度波动估算了参考腔温度波动,评估了参考腔温度波动对激光频率不稳定的贡献。当参考腔温度偏离其零膨胀温度点的偏移量|δT|≤0.2K时,在平均时间τ104s的时间内,系统参考腔温度波动对激光频率不稳定度的贡献小于该参考腔的热噪声极限2.12×10-16,因此参考腔温度波动在该时间尺度上不会成为限制激光频率不稳定度的因素。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN24

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