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2018年6月 博士学位论文 1 . 5um腔稳超稳激光器关键技术研究 作者姓名： 邰 朝 阳 指导教师： 张 首 刚 研 究 员 姜 海 峰 研 究 员 学位类别： 工 学 博 士 学科专业： 测 试 计 量 技 术 及 仪 器 培养单位： 中 国 科 学 院 大 学 国 家 授 时 中 心 June 2018 Study on the Key Techniques of the 1.5 um Cavity-stabilized UItra-stable Laser A dissertation submitted to University of Chinese Academy of Sciences in partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy in Instrument science and technology By Zhaoyang Tai Supervisor: Shougang Zhang Haifeng Jiang National Time Service Center University of Chinese Academy of Sciences 摘 要 i 摘 要 超稳激光器又称为超窄线宽激光器，是单色性最好的激光器，通常用于时间 频率和精密光谱等诸多前沿科学研究领域。超稳激光器对于提高光学原子钟的稳 定度，光生超稳微波源的稳定度，以及一些基础物理量的测量精度等指标至关重 要。1.5μm激光处于光纤通信的低损耗窗口，有很高的应用价值，并且，目前世 界上最好的超稳激光系统处在1.5μm左右，也表明这一波长下的超稳光学参考腔 制作工艺和其他技术都较为成熟。所以，本文选择并且主要围绕1.5μm 超稳激光 器展开研究，这样，产生的超稳激光可以损耗较小地通过光纤传递到远端，应用 于其他相关实验中。通常的超稳激光器，就是采用特定的频率稳定方法，将商用 的连续激光器稳定到相应的频率参考源上，以获得频率参考源的稳定度。本实验 采用 PDH(Pound-Drever-Hall) 稳频方法，将商用的1.5μm光纤激光器锁定在当 今最为常用也是精度最高的频率参考源——法布里泊罗 (F-P,Fabry-Pérot) 腔 上，得到1.5μm 的腔稳超稳激光器，其频率稳定度仅受限于超稳腔的热噪声极 限。 超稳激光的稳定度可以达到超稳腔的热噪声极限， 一般在1×10-15 以下，本 文对腔的热噪声极限进行了细致的分析，得出了影响参考腔热力学噪声的四大因 素，以及采取怎样的措施可以将参考腔的热噪声进一步降低。同时介绍了参考腔 的相关设计，采用有限元分析的方法模拟设计了振动不敏感的竖直固定的参考腔。 根据实验室环境变动的大小，设计了外围的真空腔、隔热罩、以及隔震平台和隔 音箱。之后，介绍了我们新近提出的降低超稳激光系统热力学噪声的方法—-采用 多腔联合的方法来降低系统的热力学噪声极限。这种方法突破了在以往超稳激光 的研究中，只针对一个腔进行研究的局限。使得超稳激光的热噪声可以由多个腔 联合起来决定，最终的噪声水平将反比于参考腔的数量n 的平方根 √ π. 超稳腔的长度稳定度需要通过特定的稳频手段，才能传递到激光上。本文介 绍了几种常用的腔稳频方法，重点分析了PDH稳频技术用于腔稳频的原理，以及 该技术中最为关键的误差信号的获得。进一步地，从理论上分析总结了PDH 技术 1 . 5 μ m 腔 稳 超 稳 激 光 器 关 键 技 术 研 究 ii 中最大的技术难点--剩余幅度调制--产生的两大原因，并且介绍了目前主流的 主动控制电光调制器电压的方法。相对于此，我们采用自制的布儒斯特角切割的 电光调制器，更为简洁地将这一噪声降低到 ppm(part per million) 量级，并使其 对本实验中超稳激光的频率不稳定度的影响降低到1×10-17 @1s, 这一结果可以 和世界上最好的主动方法相比较。 最后，搭建了两台相同的超稳激光器，通过拍频的方法得到单个超稳激光的 频率不稳定度为7×10-16@1-10s, 线宽小于185mHz, 这样的结果达到了本文实 验中所采用的10 cm 长的 ULE(ultra