光纤FP腔的腔长锁定方法研究

摘要

光学法布里-珀罗腔(Fabry-Perot，FP腔)广泛应用于精密干涉测量、引力波探测和光通信等领域。FP腔的腔长稳定性对其性能有重大影响。本文从理论和实验两个方面，开展了对PDH腔长锁定技术的研究。建立了PDH腔长锁定系统理论模型，对系统的稳定性进行了详细分析。并在理论结果的基础上对系统的一些参数进行了仿真、优化。最后搭建PDH腔长锁定实验系统，以窄线宽激光器为基准源，把自由谱宽26GHz、线宽100MHz的可调谐光纤FP腔锁定在该基准源上，并得到了较好的腔长稳定度。
　　本文主要研究内容和结论如下：
　　(1)系统调研国内外关于光学频率稳定及谐振腔腔长锁定的研究报道，详细介绍了三种基本的腔长锁定方法即功率透射谱锁定、透射幅度微分锁定和PDH锁定方法，通过综合比较知PDH方法的优于其它两种。并分析了PDH腔长锁定技术的发展概况。
　　(2)建立了PDH腔长锁定系统理论模型。理论推导了误差信号表达式，并给出误差信号随腔长变化的曲线。设计了伺服电路，包括比例积分电路和电压偏置电路，给出整个伺服电路的时域输出表达式。把整个PDH系统看作自动控制系统，根据自动控制理论系统可分成三个部分：比较器、控制器和执行器。分别对这三个部分建立了数学模型，并给出近似线性条件下各部分的传递函数，从而得出整个环路的开环、闭环及误差传递函数。分析了系统干扰为阶跃信号时，PDH锁定系统的线性特性和非线性特性。
　　(3)基于推导的误差信号表达式，分析整个系统中各器件参数对系统性能的影响。对调制信号频率、混频器两路信号的相位差、激光频率、FP腔的腔镜反射率、FP腔自由谱范围等参数进行了理论计算与数值仿真分析，并把理论分析结果与数值仿真结果进行比较，结果一致。对于有些参数还给出了优化值。
　　(4)通过分析温度对FP腔的具体影响，给出了腔长随温度相对变化的表达式，说明温控的必要性，设计恒温控制系统并进行相应实验。
　　(5)测试了试验用光纤FP腔的基本技术参数及误差信号曲线。最后进行PDH腔长锁定实验，分析了实验结果。结果表明FP腔的腔长可以通过PDH腔长锁定技术锁定，且在30分钟内，腔长稳定度达10-10。