本文關(guān)鍵詞：激光穩(wěn)頻中精密控溫的研究

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【摘要】：高頻率穩(wěn)定度的窄線寬穩(wěn)頻激光在精密光譜、光頻率標(biāo)準(zhǔn)、引力波探測(cè)等精密測(cè)量研究領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。利用Pound-Derver-Hall(PDH)鎖頻方法將激光頻率鎖定在高精細(xì)度參考腔的共振頻率上,可以獲得高頻率穩(wěn)定度的窄線寬激光。在PDH穩(wěn)頻技術(shù)中,腔穩(wěn)頻激光的頻率穩(wěn)定度很大程度上取決于光學(xué)參考腔的長(zhǎng)度穩(wěn)定性。參考腔溫度穩(wěn)定性是影響其腔長(zhǎng)穩(wěn)定性的重要因素,因此也是影響腔穩(wěn)頻激光頻率穩(wěn)定度的重要因素。為了降低參考腔溫度波動(dòng)對(duì)腔穩(wěn)頻激光頻率穩(wěn)定度的影響,本文主要圍繞提高參考腔溫度穩(wěn)定性來進(jìn)行相應(yīng)的研究。首先以豎腔真空室為控溫對(duì)象,測(cè)量和分析了優(yōu)化后的溫控系統(tǒng)各部分及總體的開環(huán)響應(yīng)。這為后續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行噪聲分析和搭建激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中20cm參考腔的兩級(jí)溫控系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。通過溫控系統(tǒng)對(duì)溫度階躍變化的瞬態(tài)響應(yīng)特性來優(yōu)化系統(tǒng)的性能指標(biāo),是對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)分析的主要目的在于優(yōu)化其性能指標(biāo)。根據(jù)溫控系統(tǒng)的開環(huán)響應(yīng)特性,初步研究了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了研究自制溫控電路控溫精度的限制因素,本文對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行了噪聲分析。為此建立了溫控系統(tǒng)的噪聲模型,然后定量分析了溫控系統(tǒng)中各部分噪聲對(duì)溫度噪聲的貢獻(xiàn),確定了溫度噪聲的主要來源。分別采用自制"同相放大"溫控電路和在前者基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后的"儀表放大"溫控電路對(duì)豎腔真空室進(jìn)行控溫,并對(duì)這兩種溫控系統(tǒng)的溫度噪聲進(jìn)行了測(cè)量和分析,初步驗(yàn)證了溫控系統(tǒng)噪聲模型。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),這兩種溫控系統(tǒng)環(huán)內(nèi)溫度噪聲最終均受限于閉環(huán)控制后由于環(huán)路增益有限導(dǎo)致的環(huán)內(nèi)剩余環(huán)境溫度噪聲。"同相放大"溫控系統(tǒng)環(huán)外溫度噪聲最終受限于單臂電橋輸出端噪聲,而"儀表放大"溫控系統(tǒng)環(huán)外溫度噪聲則最終受限于惠斯通電橋輸出端噪聲和儀表放大器輸入端噪聲。此外簡(jiǎn)單地討論了提高實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有真空室溫控系統(tǒng)控溫精度的方法�；谏鲜龉ぷ�,我們搭建了激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中20cm參考腔的兩級(jí)精密溫控系統(tǒng)。首先采用三路獨(dú)立的"儀表放大"溫控電路分別對(duì)光學(xué)參考腔所處真空室的兩端蓋和側(cè)壁進(jìn)行控溫,然后將整個(gè)真空系統(tǒng)放入自制恒溫箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)第二級(jí)控溫。在兩級(jí)溫控系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定工作后,通過環(huán)外獨(dú)立的測(cè)溫?zé)崦綦娮?長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境溫度波動(dòng)、恒溫箱內(nèi)空氣溫度波動(dòng)、及真空室上各位置溫度波動(dòng)。在長(zhǎng)達(dá)21天的測(cè)量時(shí)間內(nèi),室內(nèi)環(huán)境溫度波動(dòng)約為0.45℃,恒溫箱內(nèi)空氣溫度波動(dòng)約為4mK,而真空室上各位置溫度波動(dòng)約為O.1mK～0.2mK。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),在10-6Hz～10-3Hz區(qū)域,兩級(jí)溫控系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度噪聲有至少約2200倍衰減。為了進(jìn)一步提高參考腔的溫度穩(wěn)定性,我們通過在真空室外壁和參考腔之間設(shè)置兩層熱屏蔽層來降低兩者之間的熱量傳遞速率。我們建立了內(nèi)有兩層熱屏蔽層的參考腔真空系統(tǒng)的熱量傳遞模型,用于估算參考腔溫度波動(dòng)。與此同時(shí)將參考腔溫度控制在其零膨脹溫度點(diǎn),有效降低其腔長(zhǎng)對(duì)參考腔溫度的敏感度。根據(jù)傳熱模型,由真空室外壁溫度波動(dòng)估算了參考腔溫度波動(dòng),評(píng)估了參考腔溫度波動(dòng)對(duì)激光頻率不穩(wěn)定的貢獻(xiàn)。當(dāng)參考腔溫度偏離其零膨脹溫度點(diǎn)的偏移量|δT|≤0.2K時(shí),在平均時(shí)間τ104s的時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)參考腔溫度波動(dòng)對(duì)激光頻率不穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)小于該參考腔的熱噪聲極限2.12×10-16,因此參考腔溫度波動(dòng)在該時(shí)間尺度上不會(huì)成為限制激光頻率不穩(wěn)定度的因素。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN24

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 李正坤;張鐘華;韓冰;賀青;劉君華;;解耦技術(shù)在精密控溫中的應(yīng)用[J];現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理;2006年03期

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本文編號(hào)：1280563