基于PDH技术的激光窄线宽研究与初步实现

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激光具有良好的准直性、单色性和相干性等优点,被广泛应用于光纤通信、精密测量和空间光通信中。如何得到高稳频窄线宽的优质光源是当前一个研究热点。  论文首先对相位噪声与激光线宽的关系进行了建模和分析,并深入研究了基于谐振腔电反馈的PD H(Pound-Drever-Hall)方法,具体包括PDH技术的基本原理和数学推导,伺服环路的建模及环路噪声抑制能力的分析,法布里-珀罗谐振腔(F-P腔)关键参数与传递函数的论证,高斯光束模式匹配理论的详细阐述等。同时根据精准频率控制的需要,对激光器和谐振腔实现高精度温度稳定和控制,经过调研分析确定了以开关模式驱动TEC(Thermoelectric Cooler)的温度控制模块设计方案。  在上述理论研究的基础上,论文对PDH技术中与调制和鉴频有关的诸如调制频率、调制深度、系统结构等参量进行了仿真分析比较,确立了最优的系统参量,高调制频率下,利用谐振腔反射光探测得到的鉴频信号有更高的鉴频斜率和更大的鉴频动态范围;另外针对谐振腔的结构、材料和参数对鉴频性能的影响进行了研究分析,腔长的稳定性会影响频率稳定性,精细度会影响鉴频灵敏度,因而隔振、隔音、精密控温和高精细度是谐振腔设计的关键点。系统还需要实现高精度温度控制和快速高增益鉴频噪声抑制,分别基于PID技术和零极点补偿方法对上述两个控制电路模块进行了设计和实现。  在实验中,论文采用较低精细度的鉴频标准具搭建了光学链路和伺服控制电路,并闭环测试实现了1550nm激光的长期频率锁定,50分钟内的频率漂移不超过1MHz,为进一步的线宽压窄奠定了基础。同时完成了高精度的TEC控温模块,短期(1分钟内)控温精度可达3mK,长期(15分钟内)控温精度为20mK。
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