【摘要】：超高頻率穩(wěn)定度的微波信號在一些前沿科學(xué)研究和高精度探測裝置中扮演著重要角色。作為基準頻標的銫原子噴泉鐘的量子投影噪聲在10-14@1 s量級,為消除本地微波頻率源噪聲導(dǎo)致的Dick效應(yīng)對原子鐘短期頻率穩(wěn)定度的影響,微波源的穩(wěn)定度需要更優(yōu)。此外,高性能的網(wǎng)絡(luò)雷達和深空導(dǎo)航系統(tǒng)等也分別提出了類似指標微波源的應(yīng)用需求。然而,傳統(tǒng)的基于晶振的微波源穩(wěn)定度(～1×10-13@1 s)受限于基本物理機制,不能滿足這些應(yīng)用需求。本論文是針對基準噴泉鐘應(yīng)用的基于光學(xué)腔的超穩(wěn)微波源的研究,這種新型的微波源以超穩(wěn)光學(xué)諧振腔的長度為參考具,利用超穩(wěn)激光、飛秒光頻梳、低噪聲光電轉(zhuǎn)換和微波頻率綜合技術(shù),能夠產(chǎn)生短期頻率穩(wěn)定度最高的微波信號(10-16@1s量級)。實驗中,利用10 cm長的超穩(wěn)光學(xué)腔為參考,產(chǎn)生了基準噴泉鐘所需的9.192 GHz可調(diào)微波信號,其短期穩(wěn)定度為7.4×10-15,滿足了基準噴泉鐘所需。論文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:一、超穩(wěn)激光技術(shù)全面介紹了利用PDH(Pound-Drever-Hall)鎖頻技術(shù)將1550 nm波長的商用激光器鎖定在10 cm長超高精細度的F-P腔諧振頻率的技術(shù)細節(jié)。利用快慢反饋相結(jié)合的方式,有效的抑制了激光器的寬帶噪聲和長期頻率漂移,最終獲得了受限于光學(xué)腔熱噪聲的超穩(wěn)激光信號,其短期頻率頻率穩(wěn)定度7×10-16@1 s,線寬約0.1 Hz量級。探索了進一步提升超穩(wěn)激光頻率穩(wěn)定度的新方法,提出多腔聯(lián)合穩(wěn)頻的方案,理論上通過采用N個腔聯(lián)合穩(wěn)頻可以將超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度降低(?)N倍。設(shè)計了雙腔(7×10-16@1s)聯(lián)合穩(wěn)頻實驗進行驗證,獲得了頻率穩(wěn)定度為5×10-16@1s的合成激光信號,符合預(yù)期;測試表明多腔聯(lián)合穩(wěn)頻過程引入的穩(wěn)定度惡化在10-18～10-19量級,因此該方法可以有效提高當(dāng)前最高指標超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度(～5×10-17)。二、飛秒激光光學(xué)頻率控制和綜合詳細闡述了摻鉺光纖飛秒光梳的研制過程,重點研究了光梳載波包絡(luò)相移頻率(fceo)和重復(fù)頻率(fr)的鎖定技術(shù)。fce穩(wěn)頻按照反饋機構(gòu)可以分成泵浦電流源和特殊的腔內(nèi)EOM兩種,其中通過反饋泵浦電流的方式穩(wěn)頻,將fceo信號鎖定在外部參考上,鎖定后的頻率穩(wěn)定度為9.6×10-17/τ,相位噪聲處于-50 dB rad2/Hz至-60 dB rad2/Hz范圍;采用高速穩(wěn)頻系統(tǒng)反饋特殊設(shè)計的腔內(nèi)EOM鎖定fceo,鎖定后的帶寬達到1.8 MHz,頻率穩(wěn)定度在1.6×10-17@1 s。fr的頻率穩(wěn)定通過反饋光學(xué)腔內(nèi)的EOM和PZT實現(xiàn),f穩(wěn)頻在微波參考上的頻率穩(wěn)定度為7.4×10-15@1 s;光梳的梳齒鎖定在超穩(wěn)激光上的頻率穩(wěn)定度為2×10-17@1 s,相位噪聲小于-50 dB rad2/Hz。飛秒光梳通過將梳齒鎖定在超穩(wěn)激光參考上,fceo信號穩(wěn)定在外部參考上,將193 THz的超穩(wěn)激光頻率綜合到重頻的41次諧波9.54 GHz上,成功將超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度傳遞到光梳的重復(fù)頻率穩(wěn)定度上,并可連續(xù)穩(wěn)定鎖頻1周以上。三、低噪聲光電轉(zhuǎn)換和微波頻率綜合光電轉(zhuǎn)換過程中附加的相位噪聲主要來源于光電探測器件的熱噪聲、散粒噪聲,以及激光幅度噪聲向微波相位噪聲轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)換噪聲。采用級聯(lián)式馬赫增德爾干涉儀的方法,通過增加脈沖激光個數(shù),提高光電探測器件的飽和點,提高光電轉(zhuǎn)換的信噪比,從而降低微波的相位噪聲。最終獲得9.54 GHz微波信號頻率穩(wěn)定度為3×10-15@1 s。低噪聲微波頻率綜合采用鎖相環(huán)技術(shù)和直接數(shù)字頻率合成器(DDS),將一個 9.6 GHz 的介質(zhì)振蕩器(dielectric resonator oscillator,DRO)鎖定在光梳的 9.54 GHz諧波上,經(jīng)過頻率加、減、乘、除處理后得到頻率穩(wěn)定度為7×10-15@1s的9.192 GHz 信號和 1.8×10-14@1 s 的 10 MHz 信號。四、光生微波源測試和應(yīng)用通過兩套完全獨立的光生微波源系統(tǒng)頻率信號比對,評估了所產(chǎn)生的9.192 GHz信號和10MHz信號的頻率穩(wěn)定度。最終獲得了頻率穩(wěn)定度為7.4×10-15@1 s的9.192 GHz信號,頻率穩(wěn)定度為1.8×10-14@1 s的10 MHz信號。用該9.192 GHz信號代替銫原子噴泉鐘的微波腔激勵信號,成功將銫原子噴泉鐘的短期穩(wěn)定度提升至10-14量級。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家授時中心)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH714.14

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本文編號：2651774