10-16稳频激光的研制及基于四波混频产生10-18稳频激光的理论探索

论文摘要

激光频率精密控制是精密光谱和精密测量的基石,激光频率的控制精度在很大程度上决定了精密光谱与测量的分辨率与精度。经过频率精密控制的激光,具有线宽窄、频率稳定度高的特点,它是新一代时间频率标准-原子光钟、高分辨率光谱、引力波探测、低噪声微波源和光学频率合成器等研究的关键部分。这些应用迫切需要频率稳定度更高、线宽更窄的激光。如将窄线宽激光的频率不稳定度从10-15提高至10-16,可将光钟的频率稳定度提高一个数量级,从而能使光钟实现10-18精度的测量时间从106秒（连续11天以上）减小至一天之内。对于精度更高的光钟和用于空间引力波探测的超长（大于108米）激光干涉仪,还需要10-17甚至10-18频率不稳定度的窄线宽激光。为了这个研究目标,本论文在实验上实现了频率不稳定度为10-16的稳频激光,并在理论上探索如何实现10-18频率不稳定度的窄线宽激光。在实验上,为了突破参考腔的热噪声限制的激光频率不稳定度在10-15量级,本文搭建了两套热噪声限制的频率不稳定度为1.6 x 10-16的F-P光学参考腔系统。采用PDH技术将578 nm激光的频率高精度地锁定在参考腔上。为了获得频率不稳定度为10-16的激光,本论文重点克服了环境振动噪声对激光系统产生的影响。通过数值模拟计算结合反复的实验测量,选择最佳的参考腔结构和支撑方式,最终将参考腔对外界振动的敏感度降低至5 × 10-10g-1以下,此时振动噪声的贡献接近参考腔的热噪声极限。并且,为了提高激光频率的控制精度,设计了低剩余幅度调制的电光调制器,研制了光纤传输位相噪声抑制系统、高稳定度光功率控制系统和高精度激光频率伺服系统,使得这些噪声对激光频率不稳定度的影响均小于10-16量级。最后,通过两套稳频激光系统之间频率比对测试,证明每台激光的线宽已压缩至0.2 Hz,频率不稳定度达1.8 x 10-16（1秒积分时间）,已接近光学参考腔热噪声限制的频率不稳定度。由于受参考腔热噪声的限制,目前利用PDH技术将21 cm单晶硅腔冷却至124 K下获得的激光频率不稳定度为4 x 10-17,为获得10-18量级频率不稳定度的稳频激光在技术上是一大挑战。于是,本论文提出了基于冷锶原子系统的四波混频过程产生超窄线宽稳频激光的新方案。由于锶原子的钟跃迁能级具有mHz量级的自然线宽,在四波混频过程中在三束入射光相干极化的作用下,可产生线宽窄、频率稳定度高的混频激光。混频光的线宽将受限于钟跃迁能级的自然线宽而不是入射激光的线宽。最后,通过半经典模型的理论分析,当功率不稳定度为10-4量级的入射光（具有· Hz线宽）与光晶格中密度为1 × 1011cm-3的原子相互作用,可产生具有pW量级功率、线宽为4 mHz、频率不稳定度达2 × 10-18的混频激光。该方案为下一步开展实验研究提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言:窄线宽稳频激光
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 窄线宽稳频激光的研究进展
•   1.3 论文概述
• 第二章 基于F-P光学参考腔的激光稳频技术
•   2.1 PDH激光稳频基本原理
•   2.2 F-P光学参考腔
•     2.2.1 F-P腔热噪声对激光频率不稳定度的影响
•     2.2.2 F-P光学参考腔振动免疫结构设计
•     2.2.3 F-P光学参考腔的温度特性
•   2.3 本章小结
• -16频率不稳定度的578nm激光系统'>第三章 10^-16频率不稳定度的578nm激光系统
•   3.1 光原子钟
•   3.2 578nm窄线宽稳频激光系统
•     3.2.1 578nm激光源
•     3.2.2 F-P光学参考腔光学性能
•     3.2.3 PDH激光稳频系统
•     3.2.4 激光光功率稳定系统
•     3.2.5 光纤传输位相噪声抑制系统
•     3.2.6 低剩余幅度调制电光调制器的设计
•   3.3 参考腔振动敏感度的测量
•   3.4 参考腔的温度特性测量
•   3.5 系统分析与评估
•     3.5.1 激光线宽测试
•     3.5.2 激光频率不稳定度测试
•     3.5.3 激光频率噪声测试
•     3.5.4 激光系统频率噪声评估
•   3.6 本章小结
• 第四章 基于四波混频产生超窄线宽激光的理论探索
•   4.1 四能级系统半经典模型
•     4.1.1 Maxwell-Bloch方程的建立
•     4.1.2 Maxwell-Bloch方程的解析求解
•   4.2 混频光的特性分析
•     4.2.1 混频光线宽
•     4.2.2 混频光频率不稳定度
•     4.2.3 混频光功率
•     4.2.4 其他碱土金属元素结果
•   4.3 四波混频量子噪声特性分析
•     4.3.1 四波混频量子噪声计算
•     4.3.2 混频光场量子噪声分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 附录一 578nm光学腔模式匹配计算程序
• 附录二 光学参考腔振动免疫结构设计
• 附录三 四波混频解析解和数值解MATLAB程序
• 附录四 论文中的符号表
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 金丽

导师: 马龙生,蒋燕义

关键词: 超窄线宽激光,激光稳频技术,热噪声,四波混频,原子光钟

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华东师范大学

分类号: TN24

总页数: 122

文件大小: 9141K

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