横向塞曼稳频激光器频率稳定度评定的研究

摘要

本文采用的是国际上通用的时域阿仑方差方法，其实现的难点是实现无间隙采样和准确的测频。本文对比了目前应用广泛的三种时域测量方法：计数器直接测频法、测差频周期法和差频倍增法。最后选用计数器直接测频法。针对直接测频方法精度低的特点，提出一种改善计数器±1误差的方法，实现等精度测量，改进后的方法使测频精度提高了两个数量级。在上述理论的基础上进行了系统的软硬件设计。传统的电路设计体积庞大，为此使用一片EPF10K10LC84-4的FPGA实现系统的大部分功能，采用VHDL编写内部的所有程序。板卡和计算机之间的通信使用ISA总线。采用Visual C++在计算机上编写了一个控制面板，实现了所有操作的可视化和对数据的实时处理、显示和存储，最后以图的形式给出了测量结果，系统具有良好的人机交互界面。利用上述频率稳定度测量系统对一标准信号源和一市售晶振分别进行实测，测量结果与厂方所给的稳定度指标在同一数量级，以此验证了本评定系统的正确性。用此测量系统对课题组研制的横向塞曼稳频激光器进行了频率稳定度测试。最后本文对整个系统进行了误差分析，并针对各种误差源提出了相应的解决办法。本文还估算了系统不确定度。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景

1.2国内外在稳定度评定方向的研究现状及分析

1.2.1频率稳定度的时域表征

1.2.2频率稳定度的频域表征

1.3研究的目的及意义

1.3.1研究的目的

1.3.2研究的意义

1.4课题来源和主要研究内容

1.4.1课题来源

1.4.2课题主要研究内容

第2章课题相关理论研究

2.1塞曼效应

2.1.1外磁场对原子能级作用

2.1.2塞曼效应的选择定则

2.1.3 He-Ne激光器的横向塞曼效应

2.2差拍信号的分析

2.3本章小结

第3章稳定度测量的总体方案

3.1频率准确度

3.2频率稳定度

3.3阿仑(Allan)方差

3.4频率稳定度的时域测量

3.4.1计数器直接测频法

3.4.2测差频周期法

3.4.3差频倍增法

3.5总体方案论述

3.5.1计数器直接测频方法的改进

3.5.2测频公式推导

3.5.3总体方案框图

3.6本章小结

第4章硬件设计

4.1本课题总体介绍

4.2基本参数确定

4.3 FPGA设计

4.4 ISA总线设计

4.4.1 ISA的主要特点和性能指标

4.4.2 ISA板卡设计基础

4.4.3计算机端口读操作设计

4.4.4计算机端口写操作设计

4.5本章小结

第5章软件设计

5.1 VHDL简介

5.2 FPGA内部程序实现

5.3上位机程序设计

5.3.1单次测量程序设计

5.3.2连续测量程序设计

5.3.3相关子程序设计

5.4本章小结

第6章系统分析与实验数据处理

6.1影响测量结果误差来源分析

6.1.1阿仑方差有限次测量引入的测量误差

6.1.2标准频率源引入的测量误差

6.1.3计数器的±1误差

6.2系统测量不确定度的估算

6.2.1阿仑方差有限次测量引入的不确定度

6.2.2标准频率引入的不确定度

6.2.3计数器±1误差引入的不确定度

6.2.4合成不确定度和扩展不确定度

6.3频率稳定度评定实验

6.3.1实验界面介绍

6.3.2单次测量实验

6.3.3连续测量实验

6.3.4对激光器的评定实验

6.4数据处理

6.5本章小结

结论

参考文献

附录1实验装置部分实物图

附录2稳定度评定卡PROTEL原理图

附录3 FPGA内部模块

附录4测量高级标准信号源实验数据

致谢

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