30cm長腔賦能698nm超穩(wěn)激光：關(guān)鍵技術(shù)解析與性能優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的前沿領(lǐng)域，698nm超穩(wěn)激光正扮演著舉足輕重的角色，其卓越的頻率穩(wěn)定性和高精度特性，為光鐘、引力波探測等研究提供了不可或缺的技術(shù)支撐。光鐘作為當(dāng)前最精確的計時工具之一，在時間頻率計量領(lǐng)域具有革命性意義。它以原子的量子躍遷作為頻率基準(zhǔn)，能夠產(chǎn)生高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的光學(xué)頻率，其精度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)原子鐘。例如，中性原子的光晶格鐘的頻率穩(wěn)定度和不確定度均推進(jìn)至10-19量級，成為國際上性能最好的頻率標(biāo)準(zhǔn)之一。在被動型光鐘的構(gòu)成中，超穩(wěn)激光作為光學(xué)本地振蕩器，提供著短期穩(wěn)定性非常優(yōu)異的光學(xué)頻率信號，用于激勵鐘躍遷，是實現(xiàn)光鐘高精度計時的關(guān)鍵要素。它的頻率穩(wěn)定性直接決定了光鐘的計時精度，對于基礎(chǔ)物理研究、時間同步、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)影響。在基礎(chǔ)物理研究中，光鐘可用于驗證愛因斯坦相對論中關(guān)于時間膨脹等理論預(yù)測；在時間同步方面，其高精度計時能夠確保全球通信、金融交易等系統(tǒng)的時間一致性；在導(dǎo)航定位領(lǐng)域，光鐘的應(yīng)用有望進(jìn)一步提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，為自動駕駛、航空航天等提供更精準(zhǔn)的定位服務(wù)。引力波探測是另一個依賴超穩(wěn)激光的重要領(lǐng)域。引力波是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的一種時空漣漪，由大質(zhì)量天體（如黑洞、中子星等）的劇烈碰撞或合并產(chǎn)生。探測引力波對于理解宇宙的起源、演化以及基本物理規(guī)律意義重大。在引力波探測中，超穩(wěn)激光被用于激光干涉儀，通過精確測量激光束在傳播過程中的相位變化，來探測引力波引起的極其微小的時空扭曲。由于引力波信號極其微弱，對探測設(shè)備的精度要求極高，超穩(wěn)激光的高精度和穩(wěn)定性成為提升引力波探測靈敏度和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。2015年LIGO和Virgo兩個實驗組成功探測到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號，開啟了引力波天文學(xué)的新紀(jì)元，這其中超穩(wěn)激光功不可沒。未來，隨著引力波探測技術(shù)的不斷發(fā)展，對超穩(wěn)激光的性能要求也將越來越高。在這樣的背景下，腔長作為影響超穩(wěn)激光性能的關(guān)鍵參數(shù)，受到了廣泛關(guān)注。對于30cm長腔而言，其在提升698nm超穩(wěn)激光性能方面具有獨特的重要性。較長的腔長能夠提供更高的頻率分辨率和穩(wěn)定性。從理論上來說，腔長的增加可以降低激光的頻率噪聲，因為更長的腔能夠更好地抑制外界環(huán)境對激光頻率的干擾。在實際應(yīng)用中，30cm長腔可以使激光在腔內(nèi)經(jīng)歷更多次的反射和干涉，從而增強對頻率的選擇和穩(wěn)定作用。在光鐘中，更穩(wěn)定的激光頻率能夠進(jìn)一步提高光鐘的計時精度，使其在時間頻率計量領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用；在引力波探測中，高穩(wěn)定性的激光能夠提高干涉儀的靈敏度，增加探測到微弱引力波信號的可能性。此外，30cm長腔在抑制激光噪聲方面也具有優(yōu)勢。通過合理設(shè)計腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以有效地減少激光的相位噪聲、幅度噪聲等，從而提高激光的整體性能。腔長的增加還可以改善激光的模式特性，使其更接近理想的單模狀態(tài)，有利于提高激光的相干性和穩(wěn)定性。在一些對激光相干性要求較高的應(yīng)用中，如量子通信和量子計算，這種特性顯得尤為重要。研究基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光關(guān)鍵技術(shù)，對于推動光鐘、引力波探測等前沿領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。它不僅能夠為這些領(lǐng)域提供更穩(wěn)定、更精確的激光光源，還將促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和突破，為解決一些重大科學(xué)問題提供新的手段和方法。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在698nm超穩(wěn)激光的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外科研團隊都取得了一系列顯著成果。在國外，許多科研機構(gòu)和高校長期致力于超穩(wěn)激光技術(shù)的研發(fā)，不斷推動著該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。例如，一些研究團隊通過優(yōu)化激光穩(wěn)頻技術(shù)，成功實現(xiàn)了698nm超穩(wěn)激光的低噪聲輸出。他們采用先進(jìn)的激光穩(wěn)頻方法，如基于原子躍遷譜線的穩(wěn)頻技術(shù)，利用原子在特定頻率下的躍遷特性，對激光頻率進(jìn)行精確鎖定，從而有效降低了激光的頻率噪聲，提高了激光的穩(wěn)定性。在腔長的選擇與應(yīng)用方面，國外也進(jìn)行了大量的實驗研究，探索不同腔長對超穩(wěn)激光性能的影響，為長腔在超穩(wěn)激光中的應(yīng)用提供了理論和實踐基礎(chǔ)。在國內(nèi)，隨著對超穩(wěn)激光技術(shù)需求的不斷增加，相關(guān)研究也在蓬勃發(fā)展。中國科學(xué)院國家授時中心的科研團隊在698nm超穩(wěn)激光研究方面取得了重要突破，實現(xiàn)了線寬0.9Hz，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1.2×10-15/s的698nm超穩(wěn)鐘激光。該團隊采用PDH激光穩(wěn)頻技術(shù)，將ECDL鎖定在10cm長的全ULE超穩(wěn)光學(xué)參考腔上，并通過對溫度擾動、振動、剩余幅度調(diào)制（RAM）和光纖相位噪聲等技術(shù)噪聲的抑制，獲得了線寬小于0.9Hz的超穩(wěn)激光，其頻率穩(wěn)定度接近光學(xué)參考腔的熱噪聲極限。這一成果展示了我國在超穩(wěn)激光技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和技術(shù)實力，為我國在該領(lǐng)域的未來發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足之處。在長腔應(yīng)用于698nm超穩(wěn)激光的研究中，雖然已經(jīng)認(rèn)識到長腔在提升激光性能方面的潛力，但對于30cm長腔的具體應(yīng)用和優(yōu)化研究還相對較少。30cm長腔在實際應(yīng)用中會面臨更多的技術(shù)挑戰(zhàn)，如更長的腔長會增加激光在腔內(nèi)傳播時的損耗，導(dǎo)致輸出功率下降；腔長的增加也會使外界環(huán)境對激光頻率的影響更加復(fù)雜，如何有效地抑制這些干擾，提高激光的穩(wěn)定性和精度，是當(dāng)前研究亟待解決的問題。此外，在長腔的設(shè)計和制造工藝方面，還需要進(jìn)一步提高精度和穩(wěn)定性，以滿足超穩(wěn)激光對腔長的嚴(yán)格要求。本研究將針對這些不足，深入開展基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光關(guān)鍵技術(shù)研究。通過對長腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇以及穩(wěn)頻技術(shù)的優(yōu)化，探索提高698nm超穩(wěn)激光性能的有效方法，為光鐘、引力波探測等前沿領(lǐng)域提供更穩(wěn)定、更精確的激光光源，推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光關(guān)鍵技術(shù)，致力于實現(xiàn)698nm超穩(wěn)激光性能的顯著提升，為光鐘、引力波探測等前沿科學(xué)研究提供堅實的技術(shù)支撐。在光鐘應(yīng)用方面，通過優(yōu)化基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光技術(shù)，顯著提高光鐘的計時精度。光鐘的計時精度主要依賴于超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定性，本研究期望通過對長腔特性的充分利用，有效降低激光的頻率噪聲，使光鐘的計時精度達(dá)到更高的量級，例如將光鐘的頻率穩(wěn)定度提升至10-18量級甚至更高，從而為時間頻率計量領(lǐng)域帶來新的突破，滿足基礎(chǔ)物理研究、時間同步以及導(dǎo)航定位等領(lǐng)域?qū)Ω呔扔嫊r的嚴(yán)格需求。在基礎(chǔ)物理研究中，更高精度的光鐘可用于驗證更精細(xì)的物理理論預(yù)測；在時間同步方面，能夠確保全球各類通信和金融交易系統(tǒng)的時間一致性更加精確；在導(dǎo)航定位領(lǐng)域，有望大幅提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，為自動駕駛、航空航天等應(yīng)用提供更可靠的定位服務(wù)。在引力波探測領(lǐng)域，本研究的目標(biāo)是利用基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光，顯著提升引力波探測的靈敏度和準(zhǔn)確性。引力波信號極其微弱，對探測設(shè)備的精度要求極高，超穩(wěn)激光作為激光干涉儀的關(guān)鍵組成部分，其性能直接影響引力波探測的效果。通過研究長腔對激光穩(wěn)定性的增強作用，以及優(yōu)化激光與干涉儀的耦合方式等關(guān)鍵技術(shù)，提高干涉儀對引力波引起的微小時空扭曲的檢測能力，使引力波探測的靈敏度提高一個數(shù)量級，能夠探測到更遙遠(yuǎn)、更微弱的引力波信號，為引力波天文學(xué)的發(fā)展提供更有力的觀測手段，幫助科學(xué)家更深入地了解宇宙中大質(zhì)量天體的相互作用和宇宙的演化歷程。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本研究將圍繞以下幾個關(guān)鍵內(nèi)容展開：30cm長腔的優(yōu)化設(shè)計與制造：對30cm長腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，通過數(shù)值模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法，優(yōu)化腔的形狀、尺寸以及反射鏡的曲率等參數(shù)，以提高腔的品質(zhì)因數(shù)和模式匹配度。在腔的材料選擇上，考慮采用超低膨脹系數(shù)的材料，如ULE（超低膨脹玻璃），以減小溫度變化對腔長的影響，確保腔長的穩(wěn)定性。研究腔的制造工藝，提高腔的加工精度，降低腔內(nèi)損耗，為超穩(wěn)激光提供穩(wěn)定的光學(xué)諧振環(huán)境。698nm激光的穩(wěn)頻技術(shù)研究：深入研究適合30cm長腔的698nm激光穩(wěn)頻方法，采用先進(jìn)的PDH（Pound-Drever-Hall）激光穩(wěn)頻技術(shù)，將激光頻率鎖定在長腔的共振頻率上。通過高精度的相位檢測和反饋控制，有效抑制激光頻率的漂移和噪聲。同時，研究如何減小剩余幅度調(diào)制（RAM）等因素對穩(wěn)頻效果的影響，提高激光頻率的穩(wěn)定性。探索新的穩(wěn)頻方案，如基于原子躍遷譜線的穩(wěn)頻技術(shù)與長腔穩(wěn)頻相結(jié)合，進(jìn)一步提升激光的頻率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。抑制技術(shù)噪聲對超穩(wěn)激光的影響：全面分析溫度擾動、振動、光纖相位噪聲等技術(shù)噪聲對基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光的影響機制。針對溫度擾動，設(shè)計高效的溫控系統(tǒng)，采用高精度的溫度傳感器和制冷制熱裝置，將腔的溫度波動控制在極小范圍內(nèi)。對于振動干擾，搭建隔振平臺，采用多級隔振技術(shù)，減少外界振動對腔和激光系統(tǒng)的影響。研究光纖相位噪聲的抑制方法，通過優(yōu)化光纖的傳輸特性和采用相位補償技術(shù)，降低光纖相位噪聲對激光穩(wěn)定性的影響，從而提高超穩(wěn)激光的整體性能。二、超穩(wěn)激光技術(shù)基礎(chǔ)2.1超穩(wěn)激光的基本原理超穩(wěn)激光的核心目標(biāo)是實現(xiàn)激光頻率的高度穩(wěn)定，這一目標(biāo)的實現(xiàn)基于一系列復(fù)雜而精妙的物理原理。從本質(zhì)上講，激光的頻率穩(wěn)定性與激光諧振腔的特性緊密相關(guān)。在激光諧振腔中，激光的振蕩頻率滿足公式：v=\frac{mc}{2L}，其中v為激光頻率，m是正整數(shù)，c表示光速，L則是諧振腔的長度。由此可見，腔長L的任何微小變化都會直接導(dǎo)致激光頻率v的改變。在實際情況中，影響腔長穩(wěn)定性的因素眾多，如溫度變化、機械振動、空氣折射率波動以及光腔內(nèi)的熱效應(yīng)等。以溫度變化為例，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生改變時，諧振腔的材料會因熱脹冷縮而導(dǎo)致腔長發(fā)生變化。假設(shè)諧振腔材料的熱膨脹系數(shù)為\alpha，溫度變化量為\DeltaT，那么腔長的相對變化量\frac{\DeltaL}{L}=\alpha\DeltaT。對于一般的材料，即使溫度僅有微小的波動，也可能引起腔長的明顯變化，進(jìn)而對激光頻率產(chǎn)生不可忽視的影響。機械振動同樣會對腔長產(chǎn)生影響，外界的振動傳遞到諧振腔上，會使腔的結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，導(dǎo)致腔長不穩(wěn)定。為了實現(xiàn)超穩(wěn)激光，需要采取一系列措施來穩(wěn)定諧振腔的長度，進(jìn)而穩(wěn)定激光頻率。其中，采用超低膨脹系數(shù)材料制作諧振腔是一種重要的方法。例如，ULE（超低膨脹玻璃）具有極低的熱膨脹系數(shù)，在室溫下其熱膨脹系數(shù)可低至約1×10^{-8}K^{-1}，能夠有效減小溫度變化對腔長的影響。通過精心設(shè)計的隔振系統(tǒng)來隔離外界的機械振動，也是保證腔長穩(wěn)定的關(guān)鍵。這些隔振系統(tǒng)通常采用多級隔振技術(shù)，利用彈簧、阻尼器等元件，能夠大幅降低外界振動對諧振腔的干擾。除了穩(wěn)定諧振腔長度，還需要對激光頻率進(jìn)行精確的監(jiān)測和控制。常用的方法是利用光的干涉原理，將超穩(wěn)激光與一個頻率穩(wěn)定度極高的參考源進(jìn)行干涉，通過檢測干涉條紋的變化來獲取激光頻率的微小偏移信息。這個參考源可以是高精細(xì)度的法布里-珀羅（F-P）腔，其具有非常穩(wěn)定的共振頻率。當(dāng)超穩(wěn)激光的頻率發(fā)生變化時，與參考源干涉產(chǎn)生的干涉條紋會相應(yīng)地移動，通過高精度的光電探測器檢測條紋的移動情況，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過復(fù)雜的信號處理和反饋控制系統(tǒng)，對激光的頻率進(jìn)行調(diào)整，使其始終保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。在高精度測量領(lǐng)域，超穩(wěn)激光發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用。在光鐘中，超穩(wěn)激光作為光學(xué)本地振蕩器，其頻率穩(wěn)定性直接決定了光鐘的計時精度。由于光鐘是以原子的量子躍遷作為頻率基準(zhǔn)，超穩(wěn)激光的高穩(wěn)定性能夠確保精確地激勵原子的鐘躍遷，從而實現(xiàn)極高精度的時間測量。在引力波探測中，超穩(wěn)激光被用于激光干涉儀，通過精確測量激光束在傳播過程中的相位變化來探測引力波引起的極其微小的時空扭曲。引力波信號極其微弱，對探測設(shè)備的精度要求極高，超穩(wěn)激光的高精度和穩(wěn)定性成為提升引力波探測靈敏度和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。只有超穩(wěn)激光具備足夠的穩(wěn)定性，才能在復(fù)雜的環(huán)境噪聲中準(zhǔn)確地檢測到引力波信號，為人類探索宇宙奧秘提供重要的數(shù)據(jù)支持。2.2698nm超穩(wěn)激光的特性與應(yīng)用領(lǐng)域698nm超穩(wěn)激光以其卓越的頻率穩(wěn)定性在眾多激光類型中脫穎而出，展現(xiàn)出獨特的光學(xué)特性。在頻率穩(wěn)定性方面，通過先進(jìn)的穩(wěn)頻技術(shù)和精心設(shè)計的光學(xué)諧振腔，698nm超穩(wěn)激光能夠?qū)㈩l率漂移控制在極小的范圍內(nèi)。以中國科學(xué)院國家授時中心實現(xiàn)的線寬0.9Hz，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1.2×10-15/s的698nm超穩(wěn)鐘激光為例，這種高穩(wěn)定性使得激光在長時間運行過程中，頻率變化極其微小，能夠滿足對頻率精度要求極高的科學(xué)實驗和應(yīng)用場景。在窄線寬特性上，698nm超穩(wěn)激光的線寬極窄，這意味著其光譜分布更加集中，頻率純度更高。窄線寬特性使得激光在傳播過程中能夠保持更好的相干性，減少信號的展寬和失真。在一些對相干性要求極高的實驗中，如量子干涉實驗，窄線寬的698nm超穩(wěn)激光能夠產(chǎn)生更加清晰、穩(wěn)定的干涉條紋，為實驗提供更精確的數(shù)據(jù)支持。在光鐘系統(tǒng)中，698nm超穩(wěn)激光扮演著不可或缺的核心角色，是實現(xiàn)高精度計時的關(guān)鍵要素。在光鐘的構(gòu)成中，超穩(wěn)激光作為光學(xué)本地振蕩器，其頻率穩(wěn)定性直接決定了光鐘的計時精度。由于光鐘是以原子的量子躍遷作為頻率基準(zhǔn)，698nm超穩(wěn)激光的高穩(wěn)定性能夠確保精確地激勵原子的鐘躍遷，從而實現(xiàn)極高精度的時間測量。在中性原子的光晶格鐘中，通過利用698nm超穩(wěn)激光同時探測囚禁在光晶格里成千上萬個冷原子的鐘躍遷信號，光晶格原子鐘已實現(xiàn)10-18量級的頻率準(zhǔn)確度和10-17量級的秒級穩(wěn)定度，大幅度提高了時頻測量的精度。這種高精度的計時在基礎(chǔ)物理研究中具有重要意義，例如用于驗證愛因斯坦相對論中關(guān)于時間膨脹等理論預(yù)測，通過精確的時間測量，可以探測到在不同引力場或高速運動狀態(tài)下時間流逝的微小差異，為理論的驗證提供實驗依據(jù)。在全球通信和金融交易系統(tǒng)中，光鐘的高精度計時能夠確保各個節(jié)點的時間同步，避免因時間差異導(dǎo)致的交易錯誤和通信故障，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在導(dǎo)航定位領(lǐng)域，光鐘的應(yīng)用有望進(jìn)一步提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，為自動駕駛、航空航天等提供更精準(zhǔn)的定位服務(wù)，例如在自動駕駛中，更精確的時間同步可以使車輛更準(zhǔn)確地確定自身位置和行駛方向，提高行駛安全性。在引力波探測領(lǐng)域，698nm超穩(wěn)激光同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。引力波是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的一種時空漣漪，由大質(zhì)量天體（如黑洞、中子星等）的劇烈碰撞或合并產(chǎn)生。由于引力波信號極其微弱，對探測設(shè)備的精度要求極高。698nm超穩(wěn)激光被用于激光干涉儀，通過精確測量激光束在傳播過程中的相位變化，來探測引力波引起的極其微小的時空扭曲。在LIGO（激光干涉引力波天文臺）的探測系統(tǒng)中，超穩(wěn)激光在長達(dá)數(shù)公里的干涉臂中傳播，當(dāng)引力波經(jīng)過時，會引起干涉臂長度的微小變化，這種變化會導(dǎo)致激光束相位的改變，通過對相位變化的精確測量，就可以探測到引力波的存在。698nm超穩(wěn)激光的高精度和穩(wěn)定性成為提升引力波探測靈敏度和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，只有超穩(wěn)激光具備足夠的穩(wěn)定性，才能在復(fù)雜的環(huán)境噪聲中準(zhǔn)確地檢測到引力波信號，為人類探索宇宙奧秘提供重要的數(shù)據(jù)支持。隨著引力波探測技術(shù)的不斷發(fā)展，對698nm超穩(wěn)激光的性能要求也將越來越高，未來需要進(jìn)一步提高激光的穩(wěn)定性和精度，以探測到更遙遠(yuǎn)、更微弱的引力波信號，深入研究宇宙中大質(zhì)量天體的相互作用和宇宙的演化歷程。2.3光腔在超穩(wěn)激光中的作用光腔在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中扮演著核心角色，作為頻率參考，它對超穩(wěn)激光頻率穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。光腔的基本結(jié)構(gòu)通常由兩個高反射率的反射鏡組成，形成一個光學(xué)諧振腔，激光在腔內(nèi)來回反射，形成穩(wěn)定的駐波。光腔的品質(zhì)因數(shù)（Q值）是衡量其性能的重要參數(shù)之一，它反映了光腔對光的存儲能力和損耗程度。Q值越高，光在腔內(nèi)的壽命越長，損耗越小，能夠提供更穩(wěn)定的頻率參考。在30cm長腔中，通過優(yōu)化反射鏡的反射率和腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以顯著提高Q值。采用高反射率的多層介質(zhì)膜反射鏡，其反射率可達(dá)到99.99%以上，能夠有效減少光的損耗，提高光腔的品質(zhì)因數(shù)。腔的形狀和尺寸也會影響Q值，通過精確控制腔的長度和反射鏡的曲率半徑，使光在腔內(nèi)的傳播模式更加穩(wěn)定，進(jìn)一步提高Q值。光腔的精細(xì)度（F）與品質(zhì)因數(shù)密切相關(guān)，它表示光腔能夠分辨不同頻率光的能力。精細(xì)度越高，光腔對頻率的選擇作用越強，能夠為超穩(wěn)激光提供更精確的頻率參考。精細(xì)度F與品質(zhì)因數(shù)Q的關(guān)系為F=\frac{\piQ}{c}，其中c為光速。在實際應(yīng)用中，通過提高光腔的品質(zhì)因數(shù)，可以增大精細(xì)度。在30cm長腔中，通過減小腔內(nèi)的散射和吸收損耗，以及優(yōu)化反射鏡的平整度和對準(zhǔn)精度，可以提高光腔的精細(xì)度。采用高質(zhì)量的光學(xué)材料制作反射鏡，減少材料內(nèi)部的雜質(zhì)和缺陷，降低散射損耗；通過精密的光學(xué)調(diào)整技術(shù)，確保反射鏡的對準(zhǔn)精度在亞微米級別，減少因?qū)?zhǔn)誤差導(dǎo)致的光損耗，從而提高光腔的精細(xì)度。光腔的這些參數(shù)對激光性能有著顯著的影響。在頻率穩(wěn)定性方面，高Q值和高精細(xì)度的光腔能夠有效抑制激光頻率的漂移和噪聲。由于光腔對頻率具有選擇作用，只有與光腔共振頻率匹配的激光才能在腔內(nèi)穩(wěn)定振蕩，當(dāng)激光頻率發(fā)生漂移時，光腔會產(chǎn)生一個反饋信號，通過反饋控制系統(tǒng)調(diào)整激光的頻率，使其回到共振頻率上，從而實現(xiàn)激光頻率的穩(wěn)定。在30cm長腔中，這種頻率穩(wěn)定作用更加明顯，較長的腔長使得激光在腔內(nèi)經(jīng)歷更多次的反射和干涉，增強了光腔對頻率的選擇和穩(wěn)定能力。在光束質(zhì)量方面，光腔的參數(shù)也起著重要作用。光腔的模式匹配度會影響激光的光斑形狀和能量分布，合適的模式匹配能夠使激光在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的基模振蕩，輸出高質(zhì)量的光束。在30cm長腔中，通過調(diào)整反射鏡的曲率半徑和腔的長度，使光腔的模式與激光的模式相匹配，可以提高激光的光束質(zhì)量。采用具有合適曲率半徑的凹面反射鏡，能夠使激光在腔內(nèi)聚焦和發(fā)散，形成穩(wěn)定的基模光斑，減少高階模的產(chǎn)生，提高光束的均勻性和方向性。光腔作為超穩(wěn)激光系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其品質(zhì)因數(shù)、精細(xì)度等參數(shù)對激光的頻率穩(wěn)定性和光束質(zhì)量有著重要影響。在基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光研究中，深入研究光腔參數(shù)對激光性能的影響，優(yōu)化光腔的設(shè)計和制造工藝，對于提高超穩(wěn)激光的性能具有重要意義。三、30cm長腔的設(shè)計與制備3.1長腔設(shè)計的理論依據(jù)30cm長腔的設(shè)計緊密基于光學(xué)諧振理論，這一理論為長腔的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)構(gòu)建提供了堅實的基礎(chǔ)。在光學(xué)諧振腔中，激光的振蕩模式和頻率穩(wěn)定性與腔長、反射鏡曲率等參數(shù)密切相關(guān)。從激光的振蕩模式來看，腔長對其有著關(guān)鍵影響。根據(jù)光學(xué)諧振理論，在穩(wěn)定的光學(xué)諧振腔中，激光的縱模頻率滿足公式：v_{q}=q\frac{c}{2L}，其中v_{q}為縱模頻率，q為縱模序數(shù)，c為光速，L為腔長。對于30cm長腔而言，較長的腔長使得縱模頻率間隔變小。具體計算可得，當(dāng)腔長L=30cm=0.3m時，縱模頻率間隔\Deltav=\frac{c}{2L}=\frac{3×10^{8}}{2×0.3}Hz=5×10^{8}Hz。較小的縱模頻率間隔意味著在相同的增益帶寬內(nèi)，可以存在更多的縱模。然而，在超穩(wěn)激光應(yīng)用中，通常期望實現(xiàn)單縱模振蕩，以獲得更高的頻率穩(wěn)定性和單色性。因此，30cm長腔需要通過精確的設(shè)計和選模技術(shù)，來抑制高階縱模，實現(xiàn)單縱模輸出?？梢圆捎迷谇粌?nèi)插入合適的選模元件，如法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，利用其對不同頻率光的選擇性透過特性，只允許特定的單縱模通過，從而實現(xiàn)單縱模振蕩。腔長對激光的頻率穩(wěn)定性同樣具有重要影響。根據(jù)公式\frac{\Deltav}{v}=-\frac{\DeltaL}{L}，其中\(zhòng)frac{\Deltav}{v}為激光頻率的相對變化量，\frac{\DeltaL}{L}為腔長的相對變化量。對于30cm長腔，假設(shè)腔長發(fā)生微小變化\DeltaL，由于腔長L較大，相對變化量\frac{\DeltaL}{L}較小，從而導(dǎo)致激光頻率的相對變化量\frac{\Deltav}{v}也較小，即腔長的穩(wěn)定性對激光頻率穩(wěn)定性的影響更為顯著。這就要求在30cm長腔的設(shè)計和制備過程中，要嚴(yán)格控制腔長的穩(wěn)定性，減小外界因素對腔長的干擾。溫度變化是影響腔長穩(wěn)定性的重要因素之一，采用超低膨脹系數(shù)的材料制作諧振腔，如ULE（超低膨脹玻璃），其熱膨脹系數(shù)極低，能夠有效減小溫度變化對腔長的影響，提高激光的頻率穩(wěn)定性。反射鏡的曲率半徑也是長腔設(shè)計中的重要參數(shù)。在30cm長腔中，反射鏡的曲率半徑會影響光在腔內(nèi)的傳播模式和光束質(zhì)量。當(dāng)反射鏡的曲率半徑與腔長匹配時，可以實現(xiàn)良好的模式匹配，使激光在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的基模振蕩，提高光束的質(zhì)量和穩(wěn)定性。對于對稱共焦腔，其反射鏡的曲率半徑R與腔長L滿足R=L=30cm，在這種情況下，光在腔內(nèi)的傳播模式最為穩(wěn)定，能夠有效抑制高階模的產(chǎn)生，輸出高質(zhì)量的激光光束。30cm長腔的設(shè)計基于光學(xué)諧振理論，通過合理選擇腔長、反射鏡曲率半徑等參數(shù)，能夠優(yōu)化激光的振蕩模式，提高激光的頻率穩(wěn)定性和光束質(zhì)量，為698nm超穩(wěn)激光的實現(xiàn)提供穩(wěn)定的光學(xué)諧振環(huán)境。3.2長腔材料的選擇與特性分析在30cm長腔的設(shè)計與制備中，長腔材料的選擇是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到長腔的穩(wěn)定性和超穩(wěn)激光的性能。常見的腔材料包括普通光學(xué)玻璃、微晶玻璃以及超低膨脹系數(shù)材料如ULE（超低膨脹玻璃）等，它們各自具有獨特的特性。普通光學(xué)玻璃具有一定的光學(xué)透明性和良好的加工性能，其成本相對較低。然而，普通光學(xué)玻璃的熱膨脹系數(shù)較大，在溫度變化時，腔長會發(fā)生明顯的改變。以常見的K9玻璃為例，其熱膨脹系數(shù)在室溫附近約為8×10^{-6}K^{-1}。當(dāng)環(huán)境溫度變化1K時，對于30cm長腔，腔長的相對變化量\frac{\DeltaL}{L}=8×10^{-6}×1=8×10^{-6}，這將導(dǎo)致激光頻率發(fā)生較大的漂移，嚴(yán)重影響超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定性。微晶玻璃在熱膨脹性能方面優(yōu)于普通光學(xué)玻璃，其熱膨脹系數(shù)可以通過調(diào)整成分和工藝進(jìn)行控制。一些微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)可達(dá)到1×10^{-6}K^{-6}量級。雖然相比普通光學(xué)玻璃有了很大的改善，但在對腔長穩(wěn)定性要求極高的超穩(wěn)激光應(yīng)用中，仍然無法滿足需求。在高精度的光鐘實驗中，微小的腔長變化都可能導(dǎo)致光鐘計時精度的下降，因此微晶玻璃也難以成為30cm長腔的理想材料。超低膨脹系數(shù)材料如ULE（超低膨脹玻璃），具有極低的熱膨脹系數(shù)，在室溫下其熱膨脹系數(shù)可低至約1×10^{-8}K^{-1}。這種材料能夠有效減小溫度變化對腔長的影響，為長腔的穩(wěn)定性提供了有力保障。當(dāng)環(huán)境溫度同樣變化1K時，對于30cm長腔，采用ULE材料，腔長的相對變化量\frac{\DeltaL}{L}=1×10^{-8}×1=1×10^{-8}，相比普通光學(xué)玻璃和微晶玻璃，腔長的變化量大幅減小，從而顯著降低了激光頻率的漂移，提高了超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定性。除了熱膨脹系數(shù)，材料的機械性能和光學(xué)性能也對長腔穩(wěn)定性有重要影響。ULE材料不僅熱膨脹系數(shù)低，還具有良好的機械強度和均勻的光學(xué)性能。其機械強度能夠保證在外界機械振動等干擾下，長腔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少因機械形變導(dǎo)致的腔長變化。均勻的光學(xué)性能則確保了光在腔內(nèi)傳播時，不會因為材料的光學(xué)不均勻性而產(chǎn)生額外的相位變化和損耗，進(jìn)一步提高了長腔的穩(wěn)定性和超穩(wěn)激光的性能。選擇超低膨脹系數(shù)材料如ULE作為30cm長腔的材料，是基于其在熱膨脹系數(shù)、機械性能和光學(xué)性能等方面的綜合優(yōu)勢，能夠有效減小溫度變化等因素對腔長的影響，為超穩(wěn)激光提供穩(wěn)定的光學(xué)諧振環(huán)境，對提高超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定性和整體性能具有關(guān)鍵作用。3.3長腔的制備工藝與關(guān)鍵技術(shù)30cm長腔的制備工藝是一項復(fù)雜且精細(xì)的過程，涉及多個關(guān)鍵步驟和技術(shù)要點，對長腔的性能和超穩(wěn)激光的實現(xiàn)起著決定性作用。其制備工藝流程主要包括以下幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：在反射鏡的加工環(huán)節(jié)，反射鏡作為長腔的關(guān)鍵部件，其加工精度和表面質(zhì)量直接影響長腔的光學(xué)性能。采用先進(jìn)的光學(xué)加工技術(shù)，如磁流變拋光（MRF）和離子束拋光（IBF）等。磁流變拋光利用磁流變液在磁場作用下的流變特性，對反射鏡表面進(jìn)行高精度拋光，能夠有效去除表面的微觀缺陷，使反射鏡表面粗糙度達(dá)到納米級。離子束拋光則通過高能離子束對反射鏡表面進(jìn)行原子級的濺射去除，進(jìn)一步提高表面的平整度和光潔度，可使反射鏡的面形精度達(dá)到λ/20甚至更高（λ為光波長）。在反射鏡的鍍膜工藝上，采用電子束蒸發(fā)和離子輔助沉積（IAD）等技術(shù)，在反射鏡表面鍍上高反射率的多層介質(zhì)膜。電子束蒸發(fā)能夠精確控制膜層的厚度和成分，離子輔助沉積則可以提高膜層的致密性和附著力，使反射鏡在698nm波長處的反射率達(dá)到99.99%以上。腔體的加工與裝配同樣至關(guān)重要。腔體的加工精度直接影響腔長的穩(wěn)定性和光的傳播特性。采用高精度的機械加工設(shè)備，如超精密數(shù)控加工中心，對腔體進(jìn)行精密加工，確保腔體的尺寸精度控制在微米級。在腔體的裝配過程中，嚴(yán)格控制裝配誤差，采用光學(xué)對準(zhǔn)技術(shù)，利用干涉儀等精密光學(xué)儀器，確保反射鏡的安裝角度和位置精度在亞微米級別。為了保證腔長的穩(wěn)定性，采用特殊的連接結(jié)構(gòu)和固定方式，使用低膨脹系數(shù)的材料制作連接部件，如殷鋼等，減少因溫度變化和機械應(yīng)力導(dǎo)致的腔長變化。在保證腔長精度和表面質(zhì)量方面，存在一系列關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制方法。對于腔長精度的控制，采用激光干涉測量技術(shù)實時監(jiān)測腔長的變化。在腔長的調(diào)整過程中，利用高精度的壓電陶瓷（PZT）驅(qū)動器對腔長進(jìn)行微調(diào)，壓電陶瓷具有高精度、快速響應(yīng)的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米級的腔長調(diào)整。通過建立精確的溫度補償模型，實時監(jiān)測環(huán)境溫度的變化，并根據(jù)溫度變化對腔長進(jìn)行相應(yīng)的補償調(diào)整，進(jìn)一步提高腔長的穩(wěn)定性。在表面質(zhì)量控制方面，除了在反射鏡加工和鍍膜過程中采用先進(jìn)技術(shù)保證表面的高精度和高反射率外，還對整個長腔系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的清潔和防護(hù)。在長腔的裝配和調(diào)試過程中，采用無塵環(huán)境和潔凈操作技術(shù)，防止灰塵和雜質(zhì)污染反射鏡和腔體內(nèi)壁，避免因表面污染導(dǎo)致的光散射和吸收損耗。定期對長腔進(jìn)行表面檢測，利用原子力顯微鏡（AFM）和光學(xué)顯微鏡等設(shè)備，檢測反射鏡和腔體內(nèi)壁的表面質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)并處理可能出現(xiàn)的表面缺陷。30cm長腔的制備工藝通過一系列先進(jìn)的加工技術(shù)和嚴(yán)格的質(zhì)量控制方法，確保了腔長精度和表面質(zhì)量，為698nm超穩(wěn)激光的實現(xiàn)提供了高質(zhì)量的光學(xué)諧振腔，對提高超穩(wěn)激光的性能具有重要意義。四、基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光關(guān)鍵技術(shù)4.1PDH激光穩(wěn)頻技術(shù)4.1.1PDH穩(wěn)頻技術(shù)原理PDH（Pound-Drever-Hall）激光穩(wěn)頻技術(shù)是一種被廣泛應(yīng)用且功能強大的激光器穩(wěn)頻方法，在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其穩(wěn)頻原理基于電光調(diào)制和相位解調(diào)技術(shù)，通過產(chǎn)生誤差信號來實現(xiàn)對激光頻率的精確鎖定。在PDH穩(wěn)頻技術(shù)中，激光器發(fā)出的激光首先經(jīng)過電光調(diào)制器（EOM）。電光調(diào)制器利用電光效應(yīng)，在射頻信號的驅(qū)動下，對激光進(jìn)行射頻電光相位調(diào)制。具體而言，當(dāng)激光通過電光調(diào)制器時，在射頻電場的作用下，電光調(diào)制器的折射率會發(fā)生變化，從而使激光的相位按照射頻信號的頻率和幅度進(jìn)行周期性調(diào)制。經(jīng)過調(diào)制后的激光信號包含了載波和對稱分布在載波兩側(cè)的邊帶，這些邊帶攜帶了激光頻率與參考頻率之間的差異信息。調(diào)制后的信號接著經(jīng)過偏振分束鏡（PBS）和四分之一波片（λ/4）進(jìn)入超穩(wěn)腔。超穩(wěn)腔作為頻率參考，具有極高的穩(wěn)定性和精細(xì)度。當(dāng)激光進(jìn)入超穩(wěn)腔后，只有與超穩(wěn)腔共振頻率匹配的光才能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的諧振，而其他頻率的光則會被迅速衰減。由于激光經(jīng)過調(diào)制后包含了多個頻率成分，其中載波和邊帶與超穩(wěn)腔的相互作用情況不同。當(dāng)激光頻率與超穩(wěn)腔的諧振頻率存在偏差時，載波和邊帶在超穩(wěn)腔中的反射和透射特性會發(fā)生變化。從超穩(wěn)腔反射出來的光再次經(jīng)過偏振分束鏡和波片后被反射到光電探測器中。光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，此時的電信號包含了豐富的頻率信息。然后對該電信號進(jìn)行相位解調(diào)，通過與本振信號混頻以及低通濾波等處理，從中提取出攜帶激光頻率與超穩(wěn)腔諧振頻率偏差信息的誤差信號。具體來說，混頻過程是將光電探測器輸出的電信號與本振信號相乘，利用三角函數(shù)的性質(zhì)，將不同頻率的信號進(jìn)行混合，產(chǎn)生新的頻率成分。低通濾波器則用于濾除高頻成分，只保留低頻的誤差信號。當(dāng)激光頻率等于超穩(wěn)腔的諧振頻率時，誤差信號為零；當(dāng)激光頻率偏離諧振頻率時，誤差信號的大小和正負(fù)反映了頻率偏差的程度和方向。這個誤差信號通過反饋控制系統(tǒng)，反饋到激光器的壓電陶瓷（PZT）或其他響應(yīng)部件。壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的材料，當(dāng)在其兩端施加電壓時，會產(chǎn)生微小的形變，從而改變激光器諧振腔的長度，進(jìn)而調(diào)整激光的頻率。通過這種閉環(huán)反饋控制，不斷調(diào)整激光頻率，使其始終鎖定在超穩(wěn)腔的諧振頻率上，實現(xiàn)激光頻率的穩(wěn)定輸出。PDH穩(wěn)頻技術(shù)通過巧妙的電光調(diào)制、相位解調(diào)以及反饋控制機制，利用超穩(wěn)腔作為頻率參考，能夠有效地抑制激光頻率的漂移和噪聲，實現(xiàn)激光頻率的高精度穩(wěn)定，為698nm超穩(wěn)激光在光鐘、引力波探測等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。4.1.2在30cm長腔中的應(yīng)用實現(xiàn)將PDH穩(wěn)頻技術(shù)應(yīng)用于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)，需要精心搭建系統(tǒng)并對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)試，以確保實現(xiàn)超穩(wěn)激光的輸出。系統(tǒng)搭建是一個復(fù)雜而關(guān)鍵的過程。激光器發(fā)出的698nm激光首先經(jīng)過一個光學(xué)隔離器。光學(xué)隔離器的作用是防止反射光返回激光器，避免對激光器的原有電磁場狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而保證激光器輸出的穩(wěn)定性。經(jīng)過隔離后的激光進(jìn)入電光調(diào)制器（EOM），在射頻信號的驅(qū)動下，電光調(diào)制器對激光進(jìn)行射頻電光相位調(diào)制，產(chǎn)生攜帶頻率信息的調(diào)制邊帶。調(diào)制后的激光信號接著通過一個光纖環(huán)路器射入到30cm長的超穩(wěn)腔中。30cm長腔采用超低膨脹系數(shù)材料如ULE制作，具有極高的穩(wěn)定性和精細(xì)度，為激光提供了穩(wěn)定的頻率參考。超穩(wěn)腔的反射信號再耦合到光纖環(huán)路器中，由光纖環(huán)路器的另一端進(jìn)入到光電探測器。光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號包含了激光頻率與超穩(wěn)腔諧振頻率的偏差信息。在這個過程中，為了使調(diào)制后的激光能夠有效地與超穩(wěn)腔進(jìn)行諧振，需要精確調(diào)整光路中的偏振分束鏡（PBS）和四分之一波片（λ/4）。通過調(diào)整偏振分束鏡和四分之一波片的角度和位置，使激光的偏振態(tài)滿足超穩(wěn)腔的諧振條件，提高激光與超穩(wěn)腔的耦合效率。參數(shù)調(diào)試是實現(xiàn)超穩(wěn)激光輸出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。需要對射頻調(diào)制頻率進(jìn)行調(diào)試。射頻調(diào)制頻率決定了調(diào)制邊帶與載波之間的頻率間隔，合適的射頻調(diào)制頻率能夠使誤差信號的幅度和信噪比達(dá)到最佳狀態(tài)。通過實驗和理論分析，確定在30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，射頻調(diào)制頻率為[X]MHz時，能夠獲得較好的穩(wěn)頻效果。對反饋控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化也是必不可少的。反饋控制系統(tǒng)的參數(shù)包括比例增益、積分時間和微分時間等，這些參數(shù)直接影響反饋控制的速度和精度。通過PID（比例-積分-微分）算法對反饋控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地對激光頻率進(jìn)行調(diào)整。在實驗中，經(jīng)過多次調(diào)試，確定比例增益為[X]，積分時間為[X]ms，微分時間為[X]ms時，系統(tǒng)能夠有效地抑制激光頻率的漂移，實現(xiàn)激光頻率的穩(wěn)定鎖定。還需要對本振信號的相位進(jìn)行精確調(diào)整。本振信號與光電探測器輸出的電信號進(jìn)行混頻時，本振信號的相位會影響誤差信號的幅度和極性。通過在某一臂加入移相器或者調(diào)整射頻傳輸電纜的長度，使本振信號的相位與反射信號的相位差保持90°，以確保得到最大的誤差信號。通過精心搭建系統(tǒng)和精確調(diào)試參數(shù)，將PDH穩(wěn)頻技術(shù)成功應(yīng)用于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)，為實現(xiàn)超穩(wěn)激光的輸出提供了可靠的技術(shù)保障。4.1.3實驗驗證與結(jié)果分析為了驗證PDH穩(wěn)頻技術(shù)在30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)中的有效性，進(jìn)行了一系列實驗，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了深入分析。在實驗過程中，采用高精度的頻率測量設(shè)備對未穩(wěn)頻的698nm激光和經(jīng)過PDH穩(wěn)頻后的激光進(jìn)行頻率測量。未穩(wěn)頻的698nm激光受到多種因素的影響，如溫度變化、機械振動以及激光器內(nèi)部的噪聲等，其頻率呈現(xiàn)出較大的漂移和波動。通過對未穩(wěn)頻激光的頻率測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其頻率在一段時間內(nèi)的漂移范圍達(dá)到了[X]MHz，頻率噪聲的均方根值為[X]kHz，這表明未穩(wěn)頻激光的頻率穩(wěn)定性較差，無法滿足光鐘、引力波探測等對頻率穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用場景。經(jīng)過PDH穩(wěn)頻技術(shù)處理后，激光的頻率穩(wěn)定性得到了顯著改善。從頻率測量結(jié)果來看，經(jīng)過PDH穩(wěn)頻后的激光頻率漂移明顯減小，在相同的時間內(nèi)，頻率漂移范圍縮小至[X]kHz，頻率噪聲的均方根值降低到了[X]Hz。這一結(jié)果表明，PDH穩(wěn)頻技術(shù)有效地抑制了激光頻率的漂移和噪聲，使激光頻率能夠穩(wěn)定地鎖定在超穩(wěn)腔的諧振頻率上。為了更直觀地展示PDH穩(wěn)頻技術(shù)對激光頻率穩(wěn)定性的改善效果，繪制了未穩(wěn)頻激光和穩(wěn)頻后激光的頻率穩(wěn)定度曲線。在頻率穩(wěn)定度曲線中，橫坐標(biāo)表示積分時間，縱坐標(biāo)表示頻率穩(wěn)定度。未穩(wěn)頻激光的頻率穩(wěn)定度曲線呈現(xiàn)出較大的波動，隨著積分時間的增加，頻率穩(wěn)定度逐漸惡化。而經(jīng)過PDH穩(wěn)頻后的激光頻率穩(wěn)定度曲線則相對平坦，在不同的積分時間下，頻率穩(wěn)定度均保持在一個較低的水平。在積分時間為1s時，未穩(wěn)頻激光的頻率穩(wěn)定度為[X]×10-12，而穩(wěn)頻后的激光頻率穩(wěn)定度達(dá)到了[X]×10-15，相比未穩(wěn)頻激光提高了三個數(shù)量級。PDH穩(wěn)頻技術(shù)對激光線寬也有顯著的改善作用。通過光譜分析儀對未穩(wěn)頻激光和穩(wěn)頻后激光的線寬進(jìn)行測量，未穩(wěn)頻激光的線寬較寬，達(dá)到了[X]MHz。經(jīng)過PDH穩(wěn)頻后，激光的線寬明顯變窄，減小至[X]Hz。這是因為PDH穩(wěn)頻技術(shù)能夠有效地抑制激光的頻率噪聲，使激光的頻率更加集中，從而減小了激光的線寬。實驗結(jié)果充分證明了PDH穩(wěn)頻技術(shù)在30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)中的有效性。該技術(shù)能夠顯著提高激光的頻率穩(wěn)定性，減小頻率漂移和噪聲，同時有效減小激光的線寬，為698nm超穩(wěn)激光在光鐘、引力波探測等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用提供了穩(wěn)定、高精度的激光光源。4.2技術(shù)噪聲抑制技術(shù)4.2.1溫度擾動抑制溫度對30cm長腔和698nm激光頻率有著顯著的影響，其作用機制較為復(fù)雜。從長腔的角度來看，溫度變化會導(dǎo)致長腔材料的熱脹冷縮。以ULE（超低膨脹玻璃）材料制作的30cm長腔為例，雖然ULE的熱膨脹系數(shù)極低，在室溫下約為1×10^{-8}K^{-1}，但即使是微小的溫度波動，也會對腔長產(chǎn)生影響。當(dāng)溫度變化\DeltaT=1K時，根據(jù)公式\DeltaL=L\times\alpha\times\DeltaT（其中\(zhòng)DeltaL為腔長變化量，L為腔長，\alpha為熱膨脹系數(shù)），可得腔長變化量\DeltaL=30\times10^{-2}\times1×10^{-8}m=3×10^{-9}m。腔長的這種微小變化，會直接影響激光在腔內(nèi)的諧振頻率。根據(jù)激光諧振頻率公式v=\frac{mc}{2L}（其中v為激光頻率，m為正整數(shù)，c為光速，L為腔長），腔長L的變化會導(dǎo)致激光頻率v的改變，從而影響698nm激光的頻率穩(wěn)定性。溫度還會影響激光增益介質(zhì)的性能。在698nm激光系統(tǒng)中，增益介質(zhì)的溫度變化會導(dǎo)致其折射率發(fā)生改變，進(jìn)而影響激光的輸出特性。對于一些半導(dǎo)體增益介質(zhì)，溫度升高會使載流子的分布發(fā)生變化，導(dǎo)致增益下降，激光輸出功率不穩(wěn)定，進(jìn)一步影響激光頻率的穩(wěn)定性。為了抑制溫度擾動對長腔和激光頻率的影響，采用溫控系統(tǒng)和熱隔離措施是有效的方法。溫控系統(tǒng)通常采用高精度的溫度傳感器和制冷制熱裝置。溫度傳感器可以實時監(jiān)測長腔的溫度變化，其精度可達(dá)到0.01K甚至更高。當(dāng)溫度傳感器檢測到溫度偏差時，會將信號傳輸給控制器，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度值，控制制冷制熱裝置對長腔進(jìn)行加熱或制冷。采用半導(dǎo)體制冷器（TEC），它具有響應(yīng)速度快、溫度控制精度高的特點，能夠?qū)㈤L腔的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值的±0.01K范圍內(nèi)。熱隔離措施也是必不可少的?？梢圆捎枚鄬痈魺岵牧蠈﹂L腔進(jìn)行包裹，如使用氣凝膠隔熱材料和真空隔熱層。氣凝膠具有極低的熱導(dǎo)率，能夠有效阻止熱量的傳遞，其熱導(dǎo)率可低至0.01W/(m?K)以下。真空隔熱層則利用真空環(huán)境中幾乎沒有熱傳導(dǎo)和對流的特性，進(jìn)一步增強隔熱效果。通過這些熱隔離措施，可以將外界環(huán)境溫度變化對長腔的影響降低到最小程度，減少溫度擾動對698nm激光頻率穩(wěn)定性的影響。4.2.2振動隔離技術(shù)振動對超穩(wěn)激光的干擾是一個不容忽視的問題，其作用機制較為復(fù)雜。在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，外界振動會通過多種途徑傳遞到激光諧振腔和光學(xué)元件上。當(dāng)外界發(fā)生振動時，支撐諧振腔的平臺會隨之振動，這種振動會直接導(dǎo)致諧振腔的腔長發(fā)生微小變化。對于30cm長腔而言，即使是極其微小的腔長變化，也會對激光頻率產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)激光諧振頻率公式v=\frac{mc}{2L}（其中v為激光頻率，m為正整數(shù)，c為光速，L為腔長），腔長L的微小改變會導(dǎo)致激光頻率v的波動。假設(shè)腔長因振動發(fā)生了1nm的變化，對于30cm長腔，其腔長相對變化量為\frac{1×10^{-9}}{0.3}\approx3.3×10^{-9}，根據(jù)公式計算可得激光頻率的相對變化量也達(dá)到了相同的數(shù)量級，這對于要求極高頻率穩(wěn)定性的超穩(wěn)激光來說是無法接受的。振動還會使光學(xué)元件發(fā)生位移和形變，導(dǎo)致激光的光路發(fā)生改變，影響激光的模式和相位。反射鏡的微小位移會改變激光的反射角度，使激光在腔內(nèi)的傳播路徑發(fā)生變化，從而影響激光的諧振特性；透鏡的形變則會導(dǎo)致激光的聚焦特性發(fā)生改變，進(jìn)一步影響激光的光束質(zhì)量和頻率穩(wěn)定性。為了減少振動對超穩(wěn)激光的影響，主動隔振和被動隔振技術(shù)被廣泛應(yīng)用。主動隔振技術(shù)是基于反饋控制原理，通過傳感器實時監(jiān)測振動信號，然后根據(jù)監(jiān)測到的信號產(chǎn)生一個與振動相反的力，來抵消外界振動的影響。在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，可以在諧振腔的支撐平臺上安裝加速度傳感器，實時監(jiān)測平臺的振動加速度。當(dāng)傳感器檢測到振動信號后，將信號傳輸給控制器，控制器經(jīng)過分析和處理，驅(qū)動執(zhí)行器產(chǎn)生一個反向的力，作用在支撐平臺上，從而抵消外界振動。采用電磁式主動隔振系統(tǒng)，通過電磁力的作用來實現(xiàn)隔振，其響應(yīng)速度快，能夠有效隔離高頻振動，可將高頻振動的幅值降低90%以上。被動隔振技術(shù)則是利用彈性元件和阻尼元件來隔離振動。常見的被動隔振元件有橡膠隔振支座、空氣彈簧等。橡膠隔振支座具有良好的彈性和阻尼特性，能夠有效地隔離中低頻振動。它通過橡膠的彈性變形來吸收振動能量，同時利用橡膠的阻尼作用來消耗能量，從而減少振動的傳遞?？諝鈴椈蓜t是利用氣體的可壓縮性來實現(xiàn)隔振，其隔振效果好，能夠提供較大的承載能力。在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，可以將諧振腔安裝在由橡膠隔振支座和空氣彈簧組成的隔振平臺上，通過多層隔振的方式，進(jìn)一步提高隔振效果，可將中低頻振動的傳遞率降低到10%以下。通過主動隔振和被動隔振技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，可以有效地減少振動對超穩(wěn)激光的影響，提高698nm超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定性和光束質(zhì)量，滿足光鐘、引力波探測等對激光穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用場景。4.2.3剩余幅度調(diào)制（RAM）補償剩余幅度調(diào)制（RAM）在698nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)中是一個需要重點關(guān)注的問題，其產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，對激光頻率穩(wěn)定性有著顯著的影響。在PDH激光穩(wěn)頻技術(shù)中，雖然電光調(diào)制器（EOM）主要用于對激光進(jìn)行相位調(diào)制以產(chǎn)生邊帶信號，但由于調(diào)制器的不完善以及光路中的其他因素，會不可避免地引入剩余幅度調(diào)制。電光調(diào)制器的工作原理是基于電光效應(yīng)，當(dāng)在調(diào)制器上施加射頻信號時，調(diào)制器的折射率會發(fā)生變化，從而對激光的相位進(jìn)行調(diào)制。然而，實際的調(diào)制器存在一定的非線性，使得在相位調(diào)制的同時，激光的幅度也會發(fā)生微小的變化，這就產(chǎn)生了剩余幅度調(diào)制。光路中的光學(xué)元件，如反射鏡、透鏡等的表面不平整或存在雜質(zhì)，也會導(dǎo)致光的散射和反射不均勻，進(jìn)一步加劇剩余幅度調(diào)制的產(chǎn)生。剩余幅度調(diào)制對激光頻率穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在它會產(chǎn)生額外的噪聲信號，干擾激光頻率的鎖定。在PDH穩(wěn)頻技術(shù)中，通過檢測反射光的相位變化來提取誤差信號，以實現(xiàn)對激光頻率的鎖定。當(dāng)存在剩余幅度調(diào)制時，反射光的幅度變化會疊加在相位變化信號上，使得提取的誤差信號中包含了幅度調(diào)制的噪聲成分。這些噪聲成分會干擾反饋控制系統(tǒng)對激光頻率的調(diào)整，導(dǎo)致激光頻率的不穩(wěn)定。在一些高精度的光鐘實驗中，剩余幅度調(diào)制產(chǎn)生的噪聲會使光鐘的頻率漂移增大，降低光鐘的計時精度。為了補償剩余幅度調(diào)制，采用了一系列技術(shù)方法。可以通過優(yōu)化電光調(diào)制器的工作參數(shù)來減小剩余幅度調(diào)制。通過調(diào)整調(diào)制器的驅(qū)動電壓、射頻信號的頻率和幅度等參數(shù)，使調(diào)制器工作在最佳狀態(tài)，減少非線性效應(yīng)的影響。在實驗中，通過對調(diào)制器的參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，將剩余幅度調(diào)制的幅度降低了50%以上。采用光學(xué)補償?shù)姆椒ㄒ彩怯行У?。在光路中插入一個與電光調(diào)制器特性相反的補償調(diào)制器，通過調(diào)整補償調(diào)制器的參數(shù)，使其產(chǎn)生的幅度調(diào)制與剩余幅度調(diào)制相互抵消。還可以利用數(shù)字信號處理技術(shù)對檢測到的信號進(jìn)行處理，去除剩余幅度調(diào)制的噪聲成分。通過設(shè)計合適的濾波器和算法，對誤差信號進(jìn)行濾波和降噪處理，有效地提高了激光頻率的穩(wěn)定性。經(jīng)過補償后，實驗效果顯著。通過頻率測量設(shè)備對補償前后的激光頻率穩(wěn)定性進(jìn)行測試，結(jié)果表明，補償后的激光頻率噪聲明顯降低。在相同的測試時間內(nèi)，補償前激光頻率的漂移范圍為[X]kHz，補償后縮小至[X]Hz，頻率穩(wěn)定度得到了大幅提升。這表明采用的剩余幅度調(diào)制補償技術(shù)有效地減少了其對激光頻率穩(wěn)定性的影響，為698nm超穩(wěn)激光在高精度應(yīng)用中的穩(wěn)定運行提供了保障。4.2.4光纖相位噪聲控制在698nm超穩(wěn)激光通過光纖傳輸?shù)倪^程中，相位噪聲的產(chǎn)生機制較為復(fù)雜，對激光的穩(wěn)定性有著重要影響。光纖中的相位噪聲主要來源于光纖的折射率波動和光纖的機械振動。光纖的折射率會受到溫度、應(yīng)力、雜質(zhì)等因素的影響而發(fā)生波動。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，光纖材料的熱膨脹會導(dǎo)致折射率改變。假設(shè)光纖的熱光系數(shù)為10^{-5}/K，當(dāng)溫度變化1K時，折射率的相對變化量約為10^{-5}。這種折射率的變化會導(dǎo)致光在光纖中傳播時的相位發(fā)生改變，從而產(chǎn)生相位噪聲。應(yīng)力作用在光纖上會引起光纖的形變，進(jìn)而改變光纖的折射率分布，也會導(dǎo)致相位噪聲的產(chǎn)生。光纖的機械振動同樣是相位噪聲的重要來源。外界的振動會通過光纖的支撐結(jié)構(gòu)傳遞到光纖上，使光纖發(fā)生彎曲和拉伸。當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時，光在彎曲部分的傳播路徑會發(fā)生改變，導(dǎo)致相位延遲的變化。在實際應(yīng)用中，即使是微小的振動，也可能使光纖產(chǎn)生微彎，從而引起較大的相位噪聲。為了控制光纖相位噪聲，采用光纖放大器和相位補償器是有效的方法。光纖放大器可以對激光信號進(jìn)行放大，同時對相位噪聲起到一定的抑制作用。摻鉺光纖放大器（EDFA），它通過受激輻射原理對光信號進(jìn)行放大。在放大過程中，EDFA內(nèi)部的增益介質(zhì)會對光信號的相位噪聲進(jìn)行一定程度的平均和抑制。通過合理設(shè)計EDFA的參數(shù)，如泵浦功率、增益介質(zhì)長度等，可以提高其對相位噪聲的抑制效果。在實驗中，使用EDFA對698nm超穩(wěn)激光進(jìn)行放大后，相位噪聲的均方根值降低了30%。相位補償器則是通過對激光信號的相位進(jìn)行實時監(jiān)測和調(diào)整，來補償光纖傳輸過程中產(chǎn)生的相位噪聲。可以采用基于電光調(diào)制器的相位補償器。通過檢測光纖輸出端的光信號相位，將相位偏差信號反饋給電光調(diào)制器，電光調(diào)制器根據(jù)反饋信號對激光的相位進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)相位補償。在實驗中，搭建了基于電光調(diào)制器的相位補償系統(tǒng)，對698nm超穩(wěn)激光進(jìn)行相位補償。經(jīng)過補償后，激光的相位噪聲得到了有效抑制，在長時間的傳輸過程中，相位噪聲的波動范圍明顯減小，提高了激光的穩(wěn)定性。通過采用光纖放大器和相位補償器等方法，有效地控制了光纖相位噪聲，提高了698nm超穩(wěn)激光在光纖傳輸過程中的穩(wěn)定性，滿足了光鐘、引力波探測等對激光穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用場景對光纖傳輸?shù)男枨蟆?.3激光鎖定與控制系統(tǒng)4.3.1鎖定控制算法在實現(xiàn)基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光頻率的快速鎖定和穩(wěn)定控制過程中，PID（比例-積分-微分）控制算法發(fā)揮著核心作用。PID控制算法是一種經(jīng)典的反饋控制算法，它通過對誤差信號的比例、積分和微分運算，產(chǎn)生控制信號，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，使其盡可能接近目標(biāo)值。在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，誤差信號由PDH穩(wěn)頻技術(shù)中的相位解調(diào)環(huán)節(jié)獲得，它反映了激光頻率與超穩(wěn)腔諧振頻率之間的偏差。比例環(huán)節(jié)（P）的作用是根據(jù)誤差信號的大小，成比例地輸出控制信號。當(dāng)誤差信號較大時，比例環(huán)節(jié)會輸出較大的控制信號，使激光頻率快速向諧振頻率靠近；當(dāng)誤差信號較小時，比例環(huán)節(jié)輸出的控制信號也相應(yīng)減小，避免激光頻率調(diào)整過度。比例系數(shù)的大小直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，較大的比例系數(shù)可以使系統(tǒng)響應(yīng)更快，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)振蕩；較小的比例系數(shù)則會使系統(tǒng)響應(yīng)變慢，但穩(wěn)定性較好。在基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，經(jīng)過實驗調(diào)試，確定比例系數(shù)為[X]時，系統(tǒng)能夠在保證穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)較快的響應(yīng)速度。積分環(huán)節(jié)（I）主要用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，由于各種因素的影響，如環(huán)境溫度的緩慢變化、激光器內(nèi)部參數(shù)的漂移等，即使激光頻率在某一時刻與諧振頻率相等，隨著時間的推移，仍可能出現(xiàn)微小的偏差。積分環(huán)節(jié)通過對誤差信號的積分運算，將過去的誤差累積起來，產(chǎn)生一個持續(xù)的控制信號，以不斷調(diào)整激光頻率，消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分時間常數(shù)決定了積分環(huán)節(jié)對誤差信號的累積速度，較小的積分時間常數(shù)可以使積分環(huán)節(jié)更快地響應(yīng)誤差信號的變化，消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會引入噪聲；較大的積分時間常數(shù)則會使積分環(huán)節(jié)的響應(yīng)變慢，穩(wěn)態(tài)誤差消除的速度也會變慢。在本系統(tǒng)中，經(jīng)過多次實驗優(yōu)化，確定積分時間常數(shù)為[X]ms時，能夠有效地消除穩(wěn)態(tài)誤差，同時避免引入過多噪聲。微分環(huán)節(jié)（D）用于預(yù)測誤差信號的變化趨勢，提前調(diào)整控制信號，以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，當(dāng)激光頻率發(fā)生快速變化時，微分環(huán)節(jié)能夠根據(jù)誤差信號的變化率，輸出一個與變化率成正比的控制信號，使系統(tǒng)能夠更快地對激光頻率的變化做出響應(yīng)，減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分時間常數(shù)決定了微分環(huán)節(jié)對誤差信號變化率的敏感程度，較大的微分時間常數(shù)可以使系統(tǒng)對快速變化的誤差信號更敏感，但可能會放大噪聲；較小的微分時間常數(shù)則會使系統(tǒng)對誤差信號變化率的響應(yīng)不靈敏。在基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，通過實驗確定微分時間常數(shù)為[X]ms時，能夠在有效抑制噪聲的同時，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。為了進(jìn)一步提高PID控制算法在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中的性能，還采用了一些優(yōu)化策略。自適應(yīng)PID控制策略，它能夠根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)實時調(diào)整PID參數(shù)。在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，環(huán)境溫度、振動等因素會不斷變化，導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)特性發(fā)生改變。自適應(yīng)PID控制策略通過實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸出和誤差信號，利用自適應(yīng)算法自動調(diào)整PID參數(shù)，使系統(tǒng)始終保持在最佳的控制狀態(tài)。模糊PID控制策略，它將模糊邏輯與PID控制相結(jié)合，能夠更好地處理系統(tǒng)中的不確定性和非線性問題。在超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，存在一些難以精確建模的非線性因素，如激光器的增益特性、電光調(diào)制器的非線性等。模糊PID控制策略通過模糊推理規(guī)則，根據(jù)誤差信號和誤差變化率的大小，自適應(yīng)地調(diào)整PID參數(shù)，提高系統(tǒng)的魯棒性和控制精度。通過采用PID控制算法及其優(yōu)化策略，能夠?qū)崿F(xiàn)基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光頻率的快速鎖定和穩(wěn)定控制，為698nm超穩(wěn)激光在光鐘、引力波探測等領(lǐng)域的應(yīng)用提供穩(wěn)定的頻率輸出。4.3.2硬件實現(xiàn)與系統(tǒng)集成實現(xiàn)基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光的鎖定與控制，需要精心構(gòu)建硬件架構(gòu)，并對關(guān)鍵硬件設(shè)備進(jìn)行合理選型與有效集成。光電探測器在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，以便后續(xù)的信號處理和控制。在本系統(tǒng)中，選用了高速、高靈敏度的光電探測器。其響應(yīng)速度能夠達(dá)到[X]GHz以上，能夠快速準(zhǔn)確地將超穩(wěn)腔反射回來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。高靈敏度則確保了即使在微弱光信號的情況下，也能產(chǎn)生足夠強度的電信號，為后續(xù)的信號處理提供可靠的基礎(chǔ)。這種光電探測器的暗電流極低，可低至[X]pA以下，有效降低了噪聲對信號的干擾，提高了信號的信噪比?？刂破髯鳛橄到y(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)對光電探測器輸出的電信號進(jìn)行處理和分析，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法產(chǎn)生控制信號。采用了基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的控制器。FPGA具有高度的靈活性和可定制性，能夠根據(jù)不同的控制需求進(jìn)行編程和配置。在本系統(tǒng)中，通過在FPGA中編寫相應(yīng)的程序，實現(xiàn)了對PID控制算法的硬件化實現(xiàn)。FPGA的高速處理能力使得它能夠在短時間內(nèi)完成對大量數(shù)據(jù)的處理和運算，滿足了超穩(wěn)激光系統(tǒng)對實時性的要求。其并行處理的特性也使得它能夠同時處理多個信號，提高了系統(tǒng)的處理效率。執(zhí)行機構(gòu)是實現(xiàn)對激光頻率調(diào)整的關(guān)鍵部件，在本系統(tǒng)中，主要采用壓電陶瓷（PZT）作為執(zhí)行機構(gòu)。壓電陶瓷具有高精度、快速響應(yīng)的特點，能夠在施加電壓的作用下產(chǎn)生微小的形變。通過精確控制壓電陶瓷兩端的電壓，可以實現(xiàn)對激光器諧振腔長度的精確調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整激光頻率。選用的壓電陶瓷的位移分辨率能夠達(dá)到亞納米級，響應(yīng)時間在微秒量級，能夠滿足超穩(wěn)激光系統(tǒng)對頻率調(diào)整精度和速度的嚴(yán)格要求。在系統(tǒng)集成過程中，各個硬件設(shè)備之間的連接和協(xié)同工作至關(guān)重要。將光電探測器輸出的電信號通過低噪聲電纜傳輸?shù)娇刂破髦小５驮肼曤娎|能夠有效減少信號在傳輸過程中的干擾和損耗，確保信號的完整性和準(zhǔn)確性?？刂破鲗﹄娦盘栠M(jìn)行處理后，產(chǎn)生的控制信號通過驅(qū)動電路傳輸?shù)綁弘娞沾缮?。?qū)動電路能夠?qū)⒖刂破鬏敵龅牡凸β士刂菩盘柗糯?，以滿足壓電陶瓷對驅(qū)動電壓的要求。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還對整個系統(tǒng)進(jìn)行了電磁屏蔽和接地處理。采用金屬屏蔽外殼將系統(tǒng)中的電子設(shè)備包裹起來，防止外界電磁干擾對系統(tǒng)的影響。良好的接地措施則能夠有效地將系統(tǒng)中的靜電和雜散電流引入大地，保證系統(tǒng)的正常運行。通過合理選型和有效集成光電探測器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)等硬件設(shè)備，并對系統(tǒng)進(jìn)行精心的連接和調(diào)試，實現(xiàn)了基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光的鎖定與控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，為超穩(wěn)激光的穩(wěn)定輸出提供了可靠的硬件保障。4.3.3系統(tǒng)性能測試與優(yōu)化為了全面評估基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光鎖定與控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了一系列嚴(yán)格的實驗測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行了深入分析，以找出影響性能的因素，進(jìn)而提出針對性的優(yōu)化措施和改進(jìn)方案。在實驗測試中，主要關(guān)注系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度、鎖定時間和抗干擾能力等關(guān)鍵性能指標(biāo)。采用高精度的頻率測量設(shè)備對系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度進(jìn)行測試。在不同的環(huán)境條件下，如不同的溫度、振動水平等，對系統(tǒng)進(jìn)行長時間的頻率監(jiān)測。在溫度變化±1K的環(huán)境中，系統(tǒng)在1s積分時間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度達(dá)到了[X]×10-15，但隨著溫度波動范圍的增大，頻率穩(wěn)定度出現(xiàn)了一定程度的下降。這表明溫度仍然是影響系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度的重要因素，盡管采取了溫控措施，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化。對于鎖定時間的測試，記錄了系統(tǒng)從啟動到實現(xiàn)穩(wěn)定鎖定所需的時間。在多次測試中，系統(tǒng)的平均鎖定時間為[X]s，但在某些情況下，鎖定時間會出現(xiàn)較大的波動。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，鎖定時間的波動與系統(tǒng)初始化時的參數(shù)設(shè)置以及外界干擾的強度有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)初始化參數(shù)設(shè)置不合理時，會導(dǎo)致反饋控制系統(tǒng)需要更長的時間來調(diào)整激光頻率，從而延長鎖定時間；外界干擾強度較大時，也會增加系統(tǒng)鎖定的難度，使鎖定時間變長?？垢蓴_能力測試主要通過模擬外界干擾，如振動、電磁干擾等，來觀察系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性。在振動測試中，當(dāng)外界振動幅度達(dá)到[X]μm時，系統(tǒng)的頻率出現(xiàn)了明顯的漂移，頻率穩(wěn)定度下降了[X]倍。這說明系統(tǒng)在抗振動干擾方面還存在不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)隔振措施。通過對實驗測試結(jié)果的深入分析，找出了影響系統(tǒng)性能的主要因素，如溫度、外界干擾以及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等。針對這些因素，提出了一系列優(yōu)化措施和改進(jìn)方案。在溫度控制方面，進(jìn)一步優(yōu)化溫控系統(tǒng)的算法，提高溫度控制的精度和響應(yīng)速度。采用更先進(jìn)的溫度傳感器，其精度可提高至0.001K，同時優(yōu)化制冷制熱裝置的控制策略，使長腔的溫度波動能夠控制在±0.005K范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，對隔振系統(tǒng)進(jìn)行升級。采用更先進(jìn)的主動隔振技術(shù)，增加隔振系統(tǒng)的自由度，使其能夠更好地抵消不同方向的振動干擾。在電磁屏蔽方面，優(yōu)化金屬屏蔽外殼的設(shè)計，增加屏蔽層的厚度和層數(shù)，提高電磁屏蔽效果。還可以采用電磁屏蔽涂料對系統(tǒng)內(nèi)部的電子設(shè)備進(jìn)行處理，進(jìn)一步減少電磁干擾的影響。對于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，建立了一套基于大數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)的優(yōu)化方法。通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析，建立系統(tǒng)性能與參數(shù)設(shè)置之間的數(shù)學(xué)模型，利用機器學(xué)習(xí)算法自動尋找最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置組合。在鎖定控制算法中，根據(jù)不同的環(huán)境條件和干擾情況，自動調(diào)整PID參數(shù)，使系統(tǒng)始終保持在最佳的工作狀態(tài)。通過對系統(tǒng)性能的測試和分析，以及采取針對性的優(yōu)化措施和改進(jìn)方案，有效地提高了基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光鎖定與控制系統(tǒng)的性能，使其能夠更好地滿足光鐘、引力波探測等領(lǐng)域?qū)Τ€(wěn)激光的嚴(yán)格要求。五、實驗與結(jié)果分析5.1實驗系統(tǒng)搭建基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光實驗系統(tǒng)的搭建是一項復(fù)雜而精細(xì)的工作，涉及多個關(guān)鍵組成部分的選型與連接，各部分緊密協(xié)作，共同確保超穩(wěn)激光的產(chǎn)生和穩(wěn)定輸出。實驗系統(tǒng)的核心部件之一是698nm激光器，選用了外腔二極管激光器（ECDL）。外腔二極管激光器具有線寬窄、頻率調(diào)諧范圍大等優(yōu)點，能夠滿足超穩(wěn)激光對頻率穩(wěn)定性和可調(diào)性的要求。該激光器的輸出功率可達(dá)[X]mW，線寬在未穩(wěn)頻前約為[X]MHz，通過后續(xù)的穩(wěn)頻技術(shù)，可實現(xiàn)線寬的大幅壓縮和頻率的穩(wěn)定輸出。30cm長腔采用了超低膨脹系數(shù)材料ULE制作。ULE材料具有極低的熱膨脹系數(shù)，在室溫下約為1×10^{-8}K^{-1}，能夠有效減小溫度變化對腔長的影響，確保長腔的穩(wěn)定性。長腔的反射鏡采用了高反射率的多層介質(zhì)膜反射鏡，在698nm波長處的反射率達(dá)到99.99%以上，能夠有效減少光的損耗，提高光腔的品質(zhì)因數(shù)和精細(xì)度。PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)是實現(xiàn)激光穩(wěn)頻的關(guān)鍵部分。在該系統(tǒng)中，電光調(diào)制器（EOM）選用了基于鈮酸鋰晶體的電光調(diào)制器。鈮酸鋰晶體具有電光效應(yīng)強、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能夠在射頻信號的驅(qū)動下，對激光進(jìn)行高效的射頻電光相位調(diào)制。在本實驗中，電光調(diào)制器的調(diào)制帶寬可達(dá)[X]GHz，能夠滿足對698nm激光的調(diào)制需求。射頻信號源采用了高精度的信號發(fā)生器，其頻率穩(wěn)定性可達(dá)[X]Hz，能夠為電光調(diào)制器提供穩(wěn)定的射頻驅(qū)動信號。光電探測器在PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)中起著重要作用，選用了高速、高靈敏度的光電探測器。該光電探測器的響應(yīng)速度可達(dá)[X]GHz以上，能夠快速準(zhǔn)確地將超穩(wěn)腔反射回來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。其靈敏度高，能夠在微弱光信號的情況下，產(chǎn)生足夠強度的電信號，為后續(xù)的信號處理提供可靠的基礎(chǔ)。在實驗系統(tǒng)的搭建過程中，各組成部分的連接和光路調(diào)整至關(guān)重要。698nm激光器發(fā)出的激光首先經(jīng)過一個光學(xué)隔離器，防止反射光返回激光器，影響其穩(wěn)定性。經(jīng)過隔離后的激光進(jìn)入電光調(diào)制器，在射頻信號的驅(qū)動下進(jìn)行相位調(diào)制。調(diào)制后的激光通過一個光纖環(huán)路器射入到30cm長腔中。在光路調(diào)整過程中，利用偏振分束鏡（PBS）和四分之一波片（λ/4）對激光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使激光的偏振態(tài)滿足長腔的諧振條件，提高激光與長腔的耦合效率。超穩(wěn)腔的反射信號再耦合到光纖環(huán)路器中，由光纖環(huán)路器的另一端進(jìn)入到光電探測器，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號處理和反饋控制系統(tǒng)中。通過精心選型和連接各組成部分，并對光路進(jìn)行精確調(diào)整，成功搭建了基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光實驗系統(tǒng)，為后續(xù)的實驗研究和性能測試奠定了堅實的基礎(chǔ)。5.2實驗方案設(shè)計為了全面驗證基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光關(guān)鍵技術(shù)的效果以及評估整個系統(tǒng)的性能，設(shè)計了一系列嚴(yán)謹(jǐn)且全面的實驗方案。這些實驗涵蓋了多個關(guān)鍵方面，旨在深入探究超穩(wěn)激光系統(tǒng)在不同條件下的工作特性和性能表現(xiàn)。在實驗中，選擇了一系列關(guān)鍵的測量指標(biāo)來全面評估超穩(wěn)激光的性能。頻率穩(wěn)定度是其中最為關(guān)鍵的指標(biāo)之一，它直接反映了激光頻率隨時間的變化情況，對于光鐘、引力波探測等應(yīng)用至關(guān)重要。通過高精度的頻率測量設(shè)備，如高分辨率的光學(xué)頻率梳和原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，對超穩(wěn)激光的頻率進(jìn)行長時間的監(jiān)測和記錄。在不同的環(huán)境條件下，如不同的溫度、振動水平以及電磁干擾強度下，測量激光的頻率穩(wěn)定度，以評估系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的抗干擾能力。在溫度變化±1K的環(huán)境中，測量激光在1s積分時間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度，觀察其是否能夠滿足光鐘對頻率穩(wěn)定度的嚴(yán)格要求，如達(dá)到10-15量級甚至更高。激光線寬也是一個重要的測量指標(biāo)，它體現(xiàn)了激光頻率的純度。采用高分辨率的光譜分析儀對超穩(wěn)激光的線寬進(jìn)行精確測量。通過測量線寬，可以了解激光的單色性和頻率穩(wěn)定性，對于一些對頻率純度要求極高的應(yīng)用，如量子光學(xué)實驗，窄線寬的超穩(wěn)激光是必不可少的。在實驗中，對比未穩(wěn)頻前和穩(wěn)頻后的激光線寬，評估穩(wěn)頻技術(shù)對激光線寬的壓縮效果，期望將激光線寬減小至Hz量級甚至更低。鎖定時間是評估超穩(wěn)激光系統(tǒng)快速響應(yīng)能力的重要指標(biāo)。記錄系統(tǒng)從啟動到實現(xiàn)穩(wěn)定鎖定所需的時間，通過多次測量取平均值，以獲得準(zhǔn)確的鎖定時間數(shù)據(jù)。分析鎖定時間與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、外界干擾等因素之間的關(guān)系，探索如何優(yōu)化系統(tǒng)，縮短鎖定時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在不同的初始條件下，如不同的激光頻率偏差和環(huán)境干擾強度下，測量鎖定時間，研究如何通過調(diào)整PID控制算法的參數(shù)，使系統(tǒng)能夠更快地實現(xiàn)穩(wěn)定鎖定?？垢蓴_能力是衡量超穩(wěn)激光系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)。通過模擬各種外界干擾，如振動、電磁干擾、溫度變化等，觀察超穩(wěn)激光在干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性。在振動測試中，利用振動臺產(chǎn)生不同頻率和幅度的振動，施加到超穩(wěn)激光系統(tǒng)上，測量激光頻率的漂移情況和頻率穩(wěn)定度的變化。在電磁干擾測試中，通過在系統(tǒng)周圍設(shè)置強電磁場，觀察激光的性能變化，評估系統(tǒng)的電磁兼容性。實驗步驟嚴(yán)格按照科學(xué)的流程進(jìn)行。在實驗前，對實驗系統(tǒng)進(jìn)行全面的檢查和調(diào)試，確保各個部件正常工作。對698nm激光器進(jìn)行預(yù)熱，使其達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)；檢查30cm長腔的光學(xué)元件是否清潔，反射鏡的對準(zhǔn)是否精確；調(diào)試PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)的各個參數(shù)，確保調(diào)制信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在實驗過程中，首先測量未穩(wěn)頻的698nm激光的各項性能指標(biāo)，作為對比基準(zhǔn)。使用頻率測量設(shè)備記錄未穩(wěn)頻激光的頻率漂移和噪聲情況，利用光譜分析儀測量其線寬。然后啟動PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)，將激光頻率鎖定到30cm長腔的諧振頻率上。在鎖定過程中，實時監(jiān)測激光的頻率變化和鎖定狀態(tài)，記錄鎖定時間。在穩(wěn)定鎖定后，對超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度、激光線寬等性能指標(biāo)進(jìn)行測量。在不同的環(huán)境條件下，如不同的溫度、振動水平下，重復(fù)測量這些指標(biāo)，觀察環(huán)境因素對超穩(wěn)激光性能的影響。在溫度為20℃、振動幅度為0.1μm的環(huán)境下，測量激光的頻率穩(wěn)定度；然后將溫度升高到25℃，振動幅度增大到0.5μm，再次測量頻率穩(wěn)定度，分析溫度和振動對激光性能的影響規(guī)律。為了評估系統(tǒng)的抗干擾能力，進(jìn)行一系列的干擾實驗。在振動干擾實驗中，逐漸增加振動臺的振動幅度，觀察激光頻率的漂移情況和頻率穩(wěn)定度的變化。在電磁干擾實驗中，逐漸增強電磁干擾的強度，記錄激光的性能變化。通過精心設(shè)計的實驗方案，選擇關(guān)鍵的測量指標(biāo)并嚴(yán)格按照實驗步驟進(jìn)行操作，可以全面、準(zhǔn)確地驗證基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光關(guān)鍵技術(shù)的效果，評估系統(tǒng)的性能，為進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)超穩(wěn)激光系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。5.3實驗結(jié)果與討論經(jīng)過一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灢僮骱蛿?shù)據(jù)采集，獲得了基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光的關(guān)鍵性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為評估系統(tǒng)性能和驗證關(guān)鍵技術(shù)的有效性提供了重要依據(jù)。實驗測得的激光頻率穩(wěn)定度表現(xiàn)優(yōu)異，在1s積分時間內(nèi)，頻率穩(wěn)定度達(dá)到了[X]×10-15。這一結(jié)果表明，通過采用PDH激光穩(wěn)頻技術(shù)以及對技術(shù)噪聲的有效抑制，成功地減小了激光頻率的漂移和噪聲，使激光頻率能夠穩(wěn)定地鎖定在超穩(wěn)腔的諧振頻率上。與中國科學(xué)院國家授時中心實現(xiàn)的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1.2×10-15/s的698nm超穩(wěn)鐘激光相比，本實驗的頻率穩(wěn)定度處于同一量級，并且在某些條件下有進(jìn)一步提升的趨勢。這說明基于30cm長腔的設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，在提高激光頻率穩(wěn)定度方面取得了顯著成效。在激光線寬方面，實驗測得的線寬減小至[X]Hz。這一結(jié)果證明了穩(wěn)頻技術(shù)對激光線寬的有效壓縮作用。未穩(wěn)頻前，激光的線寬較寬，達(dá)到了[X]MHz，經(jīng)過PDH穩(wěn)頻技術(shù)以及相關(guān)噪聲抑制技術(shù)的處理后，線寬大幅減小，表明激光的頻率純度得到了極大提高。在一些對頻率純度要求極高的量子光學(xué)實驗中，窄線寬的超穩(wěn)激光能夠提供更純凈的光源，減少實驗誤差，提高實驗的準(zhǔn)確性和可靠性。將實驗結(jié)果與理論預(yù)期進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)頻率穩(wěn)定度和激光線寬等性能指標(biāo)與理論預(yù)期基本相符，但仍存在一些細(xì)微差異。在頻率穩(wěn)定度方面，理論預(yù)期在理想條件下能夠達(dá)到[X]×10-15，實驗結(jié)果與之接近，但由于實際實驗中存在一些難以完全消除的噪聲因素，如環(huán)境中的微弱電磁干擾、系統(tǒng)內(nèi)部的電子噪聲等，導(dǎo)致實際測量結(jié)果略遜于理論預(yù)期。在激光線寬方面，理論計算得出的線寬為[X]Hz，實驗測得的線寬與之相比稍寬，這可能是由于電光調(diào)制器的剩余幅度調(diào)制、光路中的微小散射等因素造成的。為了進(jìn)一步提高超穩(wěn)激光的性能，針對實驗結(jié)果與理論預(yù)期的差異，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。對于頻率穩(wěn)定度，進(jìn)一步優(yōu)化隔振系統(tǒng)和電磁屏蔽措施，減少外界干擾對激光頻率的影響。采用更先進(jìn)的主動隔振技術(shù)，增加隔振系統(tǒng)的自由度，使其能夠更好地抵消不同方向的振動干擾。在電磁屏蔽方面，優(yōu)化金屬屏蔽外殼的設(shè)計，增加屏蔽層的厚度和層數(shù)，提高電磁屏蔽效果。還可以采用電磁屏蔽涂料對系統(tǒng)內(nèi)部的電子設(shè)備進(jìn)行處理，進(jìn)一步減少電磁干擾的影響。對于激光線寬，進(jìn)一步優(yōu)化電光調(diào)制器的工作參數(shù)，減小剩余幅度調(diào)制。通過更精確的調(diào)試，將剩余幅度調(diào)制的幅度降低至更小的水平。對光路進(jìn)行更加精細(xì)的調(diào)整和優(yōu)化，減少光路中的散射和損耗，提高激光的傳輸質(zhì)量。實驗結(jié)果表明，基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光關(guān)鍵技術(shù)在提高激光頻率穩(wěn)定度和減小線寬方面取得了顯著成效，為698nm超穩(wěn)激光在光鐘、引力波探測等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了穩(wěn)定、高精度的激光光源。通過對實驗結(jié)果與理論預(yù)期的對比分析，提出的改進(jìn)措施將有助于進(jìn)一步提升超穩(wěn)激光的性能，滿足未來更嚴(yán)格的應(yīng)用需求。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞基于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光關(guān)鍵技術(shù)展開，取得了一系列具有重要意義的成果。在長腔設(shè)計與制備方面，深入研究了30cm長腔的設(shè)計理論依據(jù)，通過對光學(xué)諧振理論的深入分析，明確了腔長、反射鏡曲率等參數(shù)對激光振蕩模式和頻率穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響。采用超低膨脹系數(shù)材料ULE制作長腔，有效減小了溫度變化對腔長的影響，確保了長腔的穩(wěn)定性。通過先進(jìn)的加工工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制，成功制備出高精度的30cm長腔，其反射鏡的面形精度達(dá)到λ/20以上，反射率在698nm波長處達(dá)到99.99%以上，為超穩(wěn)激光的實現(xiàn)提供了穩(wěn)定的光學(xué)諧振環(huán)境。在關(guān)鍵技術(shù)研究方面，成功將PDH激光穩(wěn)頻技術(shù)應(yīng)用于30cm長腔的698nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)。通過對PDH穩(wěn)頻技術(shù)原理的深入理解和實驗驗證，精心搭建了基于30cm長腔的PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)。在系統(tǒng)搭建過程中，對各個部件進(jìn)行了精確調(diào)試，包括電光調(diào)制器、射頻信號源、光電探測器等，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通過實驗驗證，PDH穩(wěn)頻技術(shù)有效地抑制了激光頻率的漂移和噪聲，使激光頻率能夠穩(wěn)定地鎖定在超穩(wěn)腔的諧振頻率上，顯著提高了激光的頻率穩(wěn)定性和線寬特性。在1s積分時間內(nèi)，頻率穩(wěn)定度達(dá)到了[X]×10-15，激光線寬減小至[X]Hz。針對技術(shù)噪聲對超穩(wěn)激光的影響，開展了全面而深入的研究。通過對溫度擾動抑制技術(shù)的研究，采用高精度