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1、激光稳频中振动和剩余幅度调制的分析与控制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
2、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
3、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1200 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110-7g/Hz1/2(1-20Hz), 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
4、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
5、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110-6, 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。