窄线宽单纵模光纤激光器稳频技术的研究

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窄线宽稳频激光在相干光通信、多普勒测风雷达、冷原子物理实验、引力波探测和量子光学等领域有着巨大的应用价值。被动稳频如稳定电源、恒温控制能提升激光器的频率稳定度;但实验表明,为获得10-8量级以上的频率稳定度,需采用主动稳频。在主动稳频方法中,光学谐振腔稳频(如PDH稳频),因其对波长的普适性、短期频率稳定度好等优点,成为最受青睐的稳频方法之一。然而,作为传统光学谐振腔稳频鉴频元件的高精细度法珀干涉仪价格昂贵、体积大、易碎且对环境干扰特别敏感;同时,因为体元件的存在,鉴频系统中的光路对接,偏振控制和模式匹配加大了系统的调试难度。在被动稳频的基础上,针对体元件光学腔体鉴频的缺陷,本课题对窄线宽单纵模光纤激光器的全光纤化鉴频系统进行了研究。在传统稳频电路中,通常采用模拟电路处理误差信号。相比之下,数字化信号处理具有灵活性好、远程可控性及自动化等优点,故此处采用数字化方式对误差信号进行处理。本课题对窄线宽单纵模光纤激光器的稳频技术进行了研究,主要包括:(1)、介绍了窄线宽单纵模线性可调谐DBR光纤激光器的基本结构和稳频原理;理论和实验结合分析了基于PZT调制光纤激光器的可调谐特性;理论与实验结合分析了法珀干涉仪、环形腔及非平衡迈克尔逊干涉仪的光谱特性,并在此基础上对光纤光栅偏频锁定和非平衡迈克尔逊干涉仪边频锁定技术进行了研究。其中,基于温度调谐的反射率为60%光纤光栅偏频锁定鉴频系统,获得了灵敏度为5.6MHz/mV的鉴频信号;基于PZT调制的臂差为100m的非平衡迈克尔逊干涉仪边频锁定鉴频系统,获得了频率与PZT调制频率300Hz匹配的误差信号。(2)、介绍了被动稳频和主动稳频相关电路的设计。被动稳频电路部分:基于自动功率控制模式LD抽运的光纤激光器,功率稳定性优于0.5%(80min);同时理论和实验结合分析了基于PWM波形的DAC输出模块,该模块在大型智能控制系统如高功率光纤激光器中具有重要的工程意义;基于PWM和线性联合驱动方式的TEC温度控制模块,效率高且纹波系数低,温控精度优于0.1℃;在被动稳频电路作用下,种子源单频光纤激光器40min内的频率稳定性小于80MHz;同时,此两电路均已制成样机并投入实验室使用,工作稳定。主动稳频电路部分:滤波混频电路与非平衡迈克尔逊干涉仪边频锁定鉴频系统结合,提取了带宽为300Hz、频率与PZT调制频率匹配的误差信号;数字化伺服控制部分ADC与DAC模块实现了信号的跟踪。PZT高压放大电路,输出电压0-100V可调,工作频带大于10kHz;利用该电路对种子激光器进行频率调制,获得了线性调制范围大于700MHz的结果,为进一步的闭环实验打下了良好的基础。
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