高阶模式锁定在激光稳频系统中的应用

摘要

华中科技大学引力实验中心正在开展铝离子（27Al+）光频标项目，该项目对于时间频率的精密测量、建立统一的时间标准有着重要意义。光频标主要由超稳激光系统、铝离子囚禁系统和飞秒光梳系统三部分组成，其中超稳激光系统作为27Al+的钟跃迁激光在整个光频标系统中具有重要的作用。
　　本文介绍了实验室中获得超稳激光的Pound-Drever-Hall（PDH）稳频技术，以及该技术中影响最终频率稳定性的因素，包括超稳腔的长度、温度、激光光斑尺寸、激光功率抖动等。为了获得频率稳定度更高的激光，首先调研了高阶腔模式对于参考腔热噪声极限的影响，并用Matlab模拟了产生高阶拉盖尔高斯模式（LGM33和LGM55模）的相位掩模板。然后计算了PDH稳频系统中高阶模式锁定下的电子噪声与热噪声，并进行对比，得出了在相同情况下高阶模锁定下激光频率稳定度仍然受限于热噪声的结论。在实验期间参与了PDH稳频系统中电子噪声的测量，并测量了PDH解调系统中混频器的响应率，为高阶模式锁定中电子噪声的计算奠定了基础。
　　在验证了高阶模式锁定能降低热噪声极限的可行性后，实验方面，首先是将激光注入腔内锁定到高阶厄米特高斯腔模（TEM02）上，并通过模式匹配的方法提高入腔的耦合效率，其耦合效率能达到30％。其次，为了测量高阶模式的线宽，使用了腔衰荡法和激光锁相法两种方法来测量，并对两种测量方法的优缺点进行了对比评估，得到了高阶腔模线宽与基模线宽相近的结果，为4kHz左右。然后在实验中搭建了激光功率稳定系统并测量了锁定后激光功率的稳定度水平，其艾伦偏差为5×10-5。最后搭建了三角帽拍频光路，借助一套30cm腔超稳系统，通过三套系统两两拍频获得了三套系统独立的艾伦偏差，其中高阶模式锁定系统的频率稳定度可以达到8×10-16@1s。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 铝离子光频标系统简介

1.1.2 超稳激光系统简介

1.1.3 超稳激光国内外研究现状

1.2 论文概述

第二章 激光稳频原理及技术

2.1 F-P光学参考腔

2.1.1 F-P腔介绍

2.1.2 F-P腔热噪声极限

2.1.3 热噪声极限计算及影响因素分析

2.2 超稳激光系统中激光模式简介

2.2.1 激光模场的分布

2.2.2 高阶模式特征简介

2.2.3 高阶模式在F-P稳频中的优势

2.3 PDH激光稳频技术原理

2.3.1 相位调制原理介绍

2.3.2 误差信号探测及解调

2.4 高阶模式锁定的电子噪声分析

2.4.1 系统建模

2.4.2 鉴频斜率推导

2.4.3 混频器的响应率测量

2.4.4 电子噪声计算

第三章 高阶模式的产生及分析

3.1 激光相位调制产生高阶激光模式

3.2 直接注入法锁定高阶腔模

3.2.1 高阶模模式匹配对系统的影响

3.2.2 模式匹配原理介绍

第四章 高阶模式锁定的实验装置及测量结果

4.1 PDH稳频系统实验装置

4.2 F-P腔高阶模式线宽及参考腔精细度测量

4.2.1 腔衰荡法测线宽

4.2.2 激光锁相法测线宽

4.3 激光功率稳定

4.3.1 光功率稳定实验装置

4.3.2 测量结果及噪声分析

4.4 光纤相位噪声补偿系统

4.5 超稳激光稳定度分析

4.5.1 TCH方法简介

4.5.2 高阶模锁定下激光频率稳定度

4.5.3 数据分析及结果讨论

第五章 总结与展望

致谢

参考文献