許冠軍，焦東東，張林波，高靜，劉軍，范樂，陳龍，董瑞芳，劉濤，張首剛

1550nm可搬運(yùn)超穩(wěn)激光工程化研制

許冠軍1,2，焦東東1,2，張林波1,2，高靜1,2，劉軍1,2，范樂1,2，陳龍1,2，董瑞芳1,2，劉濤1,2，張首剛1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600； 2. 中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

為了滿足高精度地基授時(shí)系統(tǒng)項(xiàng)目的需求，本文對(duì)1550 nm可搬運(yùn)超穩(wěn)激光系統(tǒng)進(jìn)行了工程化研究。對(duì)5 cm長(zhǎng)的光學(xué)參考腔進(jìn)行了振動(dòng)敏感度優(yōu)化，最終其優(yōu)于1×10-11/g。完成了光學(xué)參考腔的自研，測(cè)得其精細(xì)度為78000。對(duì)光學(xué)、真空系統(tǒng)以及電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，整機(jī)總體積約為360 mm×380 mm×300 mm，總質(zhì)量約為20kg。通過拍頻比對(duì)，其線寬約為1.41Hz，頻率穩(wěn)定度小于1×10-14@1s。從實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可以看出，該超穩(wěn)激光基本滿足了地基授時(shí)項(xiàng)目工程化要求，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)可搬運(yùn)超穩(wěn)激光器的研究奠定了基礎(chǔ)。

超穩(wěn)激光；光學(xué)參考腔；可搬運(yùn)；頻率穩(wěn)定度

0 引言

由于超穩(wěn)激光具有極低的頻率噪聲、較窄的線寬及超高的頻率穩(wěn)定度，因此使其在光學(xué)原子鐘[1-3]、引力波探測(cè)[4-5]、低噪聲微波信號(hào)產(chǎn)生[6-8]以及高精度時(shí)間頻率傳遞[9]等領(lǐng)域具有著重要作用。為了獲得激光線寬更窄的高性能激光器，目前較為常用的手段是利用主動(dòng)伺服反饋的控制方式將激光器輸出的頻率鎖定到光學(xué)長(zhǎng)度很穩(wěn)定的光學(xué)參考腔共振頻率上，即PDH（Pound-Drever-Hall）激光穩(wěn)頻技術(shù)[9-14]。由于PDH激光穩(wěn)頻技術(shù)具有伺服響應(yīng)速度快、鑒頻特性好以及信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，因此在激光穩(wěn)頻領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

PDH激光穩(wěn)頻技術(shù)的原理是將激光器輸出的頻率鎖定在長(zhǎng)度極其穩(wěn)定、精細(xì)度和耦合效率都較高的光學(xué)參考腔上，以獲取信噪比和斜率都較高的誤差信號(hào)。光學(xué)參考腔作為超穩(wěn)激光器的頻率參考源，它的光學(xué)長(zhǎng)度穩(wěn)定性是決定超穩(wěn)激光器性能的關(guān)鍵因素。通常采用熱膨脹系數(shù)較低的材料作為光學(xué)參考腔腔體，以減小外界溫度變化對(duì)光學(xué)參考腔腔長(zhǎng)的影響，并將其放置于隔熱、隔音的真空腔系統(tǒng)中。通過優(yōu)化光學(xué)參考腔的支撐結(jié)構(gòu)尋找出其最佳不敏感度位置，再利用主動(dòng)隔振臺(tái)以減小外界機(jī)械振動(dòng)對(duì)光學(xué)參考腔長(zhǎng)度變化的影響。高精細(xì)度和高耦合效率是為了減小超穩(wěn)激光系統(tǒng)中不必要的頻率漂移，使伺服系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地鎖定在鑒頻信號(hào)的零點(diǎn)處。

目前，隨著光學(xué)元器件以及激光穩(wěn)頻技術(shù)的不斷發(fā)展及提高，大多用于實(shí)驗(yàn)室工作的超穩(wěn)激光性能接近熱噪聲極限，基本滿足目前的大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。因此，對(duì)于超穩(wěn)激光器的進(jìn)一步發(fā)展出現(xiàn)了兩種不同的道路[9-16]。一條是進(jìn)一步研究解決限制超穩(wěn)激光的噪聲，獲得更高穩(wěn)定度的超穩(wěn)激光；另一條是對(duì)超穩(wěn)激光進(jìn)行工程化，以便能夠更廣泛地應(yīng)用于非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

目前，光學(xué)原子鐘的精度及頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-19量級(jí)，作為最高精度的物理量，其對(duì)精密測(cè)量研究與應(yīng)用、科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。為了將如此高精度的光學(xué)頻率信號(hào)能夠傳送給各個(gè)用戶，光纖光學(xué)頻率傳遞是目前唯一能夠?qū)忡娦盘?hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離（千km級(jí)）傳輸?shù)氖侄?。在光纖光學(xué)頻率傳遞系統(tǒng)中，為了保證傳輸?shù)姆€(wěn)定度，則要求頻率穩(wěn)定度較高的激光作為傳遞光源，目前商用的通信波段激光器線寬最小為百Hz量級(jí)，無法滿足高穩(wěn)定度長(zhǎng)距離的光纖光學(xué)頻率傳遞要求，因此，需要研制具有超高穩(wěn)定度的通信波段超穩(wěn)激光器作為傳遞光源。同時(shí)，中科院國(guó)家授時(shí)中心承擔(dān)著我國(guó)十三五高精度地基授時(shí)系統(tǒng)項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目中光纖光學(xué)頻率傳遞系統(tǒng)的需求，因此開展了激光線寬優(yōu)于10 Hz、頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-14/s的通信波段超穩(wěn)激光器的工程化研究。

1 PDH穩(wěn)頻基本原理與裝置

超穩(wěn)激光器系統(tǒng)的原理和裝置如圖1所示。激光器（NKT E15）輸出約功率20 mW的光經(jīng)保偏光纖（PMF）后，通過光纖準(zhǔn)直鏡后成為自由空間光，利用聲光調(diào)制器1（AOM1，50 MHz）對(duì)激光器的輸出光進(jìn)行頻移，同時(shí)AOM1被用作快速頻率伺服的執(zhí)行器來穩(wěn)定激光頻率。AOM1輸出的一階衍射激光經(jīng)過半波片1（HWP1）和偏振分束器1（PBS1）分為兩束。一束輸入到光纖噪聲消除（FNC）系統(tǒng)[16]用于激光拍頻比對(duì)，另一束光經(jīng)過HWP2和消光比約為50 dB的Glan棱鏡（GP），其中Glan棱鏡位于一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的裝置上。通過格蘭棱鏡來調(diào)整激光光束的偏振方向與電光調(diào)制器（EOM）晶體的主軸相匹配，以減小EOM帶來的剩余振幅調(diào)制噪聲，系統(tǒng)中利用輸出頻率約20 MHz信號(hào)源驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器對(duì)經(jīng)過的激光進(jìn)行相位調(diào)制。經(jīng)過電光調(diào)制的激光經(jīng)過后，利用HWP4和PBS3對(duì)進(jìn)入光學(xué)參考腔（Cavity）的光功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。透鏡（L）用于調(diào)整進(jìn)入光學(xué)參考腔激光束的大小以匹配光腔的模式。腔鏡表面反射的激光和腔內(nèi)的透射光經(jīng)過1/4波片2（QWP2）和PBS3后進(jìn)入到光電探測(cè)器2（PD2），其中PBS3也被用于防止腔鏡的反射光沿原路徑返回。光電探測(cè)器PD2用于解調(diào)激光載波和調(diào)制邊帶之間的射頻信號(hào)，該射頻信號(hào)通過移相器（PS）與EOM驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的輸出信號(hào)通過雙平衡混頻器（DBM）混頻，獲得超穩(wěn)激光器系統(tǒng)的誤差信號(hào)。再將誤差信號(hào)反饋給伺服控制器1（Servo1）和伺服控制器2（Servo2），其中Servo1控制激光器壓電換能器（PZT）的電壓對(duì)激光器的頻率進(jìn)行慢速控制，Servo2來調(diào)節(jié)AOM1的驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)激光的頻率進(jìn)行快速控制，從而將激光器的輸出頻率鎖定在光學(xué)參考腔上。

注：HWP1、HWP2和HWP3為二分之一波片；QWP1和QWP2為四分之一波片；APC/PC為光纖適配器；PMF為保偏光纖；GP為格蘭泰勒棱鏡；EOM為電光調(diào)制器；AOM1和AOM2為聲光調(diào)制器；PBS1、PBS2和PBS3為偏振分光棱鏡；L為透鏡；DDS為直接數(shù)字頻率合成器；PD1和PD2為光電探測(cè)器；Servo1、Servo2和Servo3為比例積分控制器；SMF為單模光纖；PS為相位延遲器；Cavity為光學(xué)參考腔；DBM為雙平衡混頻器；FNC為光纖噪聲抑制系統(tǒng)

2 光學(xué)參考腔的設(shè)計(jì)與研制

2.1 光學(xué)參考腔設(shè)計(jì)

光學(xué)參考腔作為超穩(wěn)激光器的核心器件，為了滿足超穩(wěn)激光器的可搬運(yùn)要求，首先對(duì)于能夠滿足可搬運(yùn)條件的光學(xué)參考腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。光學(xué)參考腔的長(zhǎng)度為50 mm，直徑為50 mm，腔體及腔鏡基底材料均為低膨脹系數(shù)玻璃（ULE）。參考腔支撐點(diǎn)的橫向位置分布在距離中心位置為21.5 mm處，徑向的位置分布在距離參考腔末端的5.18 mm處。為了保證參考腔的入射光能夠通過兩個(gè)腔鏡的中心位置，對(duì)光學(xué)參考腔兩個(gè)端面平行度的加工要求小于0.2′，通光孔與兩個(gè)端面的垂直度小于0.2′，為了保證參考腔與腔鏡之間能夠進(jìn)行光膠，連接處的粗糙度小于1 nm。光學(xué)參考腔的兩個(gè)腔鏡的直徑為12.7 mm，厚度為6.3 mm，凹面鏡的曲率半徑為500 mm。

如圖2所示，直接將光學(xué)參考腔放置在鋁制的支撐架上，光學(xué)參考腔底端與支撐架之間通過4塊面積為6 mm×10 mm的方形托朗墊片連接，光學(xué)參考腔支撐點(diǎn)的上端與不銹鋼螺釘之間通過4塊直徑為6 mm的托朗墊片連接。支撐架采用的是鈦合金TC4，其具有良好的熱物理屬性與力學(xué)屬性，且比剛度相對(duì)較高，密度相對(duì)較低，非常適合于可搬運(yùn)的超穩(wěn)激光。

圖2 可搬運(yùn)光學(xué)參考腔支撐結(jié)構(gòu)

2.2 光學(xué)參考腔振動(dòng)敏感度優(yōu)化

通過有限元軟件對(duì)該光學(xué)參考腔的振動(dòng)敏感度進(jìn)行了分析。由于在裝配過程中，支撐點(diǎn)的位置是變量，裝配誤差會(huì)對(duì)光學(xué)參考腔的振動(dòng)敏感度產(chǎn)生影響。目前加工工藝已較為成熟，玻璃的加工精度可達(dá)到μm量級(jí)，因此，對(duì)于可搬運(yùn)光學(xué)參考腔更為關(guān)注的是在裝配過程中，固定光學(xué)參考腔時(shí)支撐點(diǎn)與光學(xué)參考腔之間的擠壓力對(duì)其振動(dòng)敏感度的影響。在本文中，在有限元仿真過程中，以100 N的擠壓力作為裝配過程中光學(xué)參考腔與支撐點(diǎn)之間的參考值，對(duì)其振動(dòng)不敏感度進(jìn)行了仿真。最后，選擇光學(xué)參考腔下端支撐點(diǎn)的面積為6 mm×10 mm，支撐點(diǎn)的位置距離光學(xué)參考腔末端5.18 mm附近時(shí)，在裝配擠壓力為100 N±10 N的情況下，其振動(dòng)敏感度小于1×10-10/g，仿真結(jié)果如圖3（b）所示。下端支撐面的邊長(zhǎng)為10 mm時(shí)，光學(xué)參考腔的振動(dòng)敏感度仿真結(jié)果如圖3（c）所示, 在裝配擠壓力為100 N±10 N時(shí)，其振動(dòng)敏感度也小于1×10-10/g。在裝配過程中，在光學(xué)參考腔與上端固定點(diǎn)之間放置有壓力傳感器對(duì)裝配過程中的擠壓力進(jìn)行測(cè)量。

圖3 光學(xué)參考腔振動(dòng)敏感度有限元仿真

在上述支撐點(diǎn)的位置仿真計(jì)算了光學(xué)參考腔腔鏡中心點(diǎn)附近位置沿光軸方向的位移變化，軸與軸的仿真結(jié)果如圖4 所示。從圖4（a）中可以看出，腔鏡沿水平方向的顏色分布成對(duì)稱性分布，沿垂直軸方向的形變成近線性分布。圖4（b）中三角形曲線表示的是沿水平方向分布的計(jì)算結(jié)果，可以看出其中心點(diǎn)位置形變量的斜率小于5×10-12m/g/mm。菱形曲線表示的是沿垂直方向分布的計(jì)算結(jié)果，在腔鏡中心點(diǎn)位置形變量的斜率小于7×10-12m/g/mm。

圖4 腔鏡中心位置形變

2.3 光學(xué)參考腔測(cè)試

國(guó)家授時(shí)中心與國(guó)內(nèi)相關(guān)單位聯(lián)合研制了文中描述的可搬運(yùn)光學(xué)參考腔，該光學(xué)參考腔及其支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)物如圖5所示。從圖中可以看出，通過6根不銹鋼螺釘直接將光學(xué)參考腔的支撐架與底層的不銹鋼法蘭盤直接進(jìn)行連接，從而固定該光學(xué)參考腔。

圖5 可搬運(yùn)光學(xué)參考腔及其支撐結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

在光學(xué)參考腔加工過程中，比較困難也最為關(guān)鍵的是光學(xué)參考腔與腔鏡之間的粘貼部分，通常采用光膠將腔鏡粘貼在腔體上，這就要求粘貼面連接處的光學(xué)冷加工的粗糙度必須小于1 nm。同時(shí)為了獲得反射率大于99.996%的腔鏡，則需要光學(xué)參考腔腔鏡表面的冷加工粗糙度必須小于0.3 nm，這樣在鍍膜過程中才能保證鍍膜層的平整度。采用離子束濺射沉積鍍膜技術(shù)，對(duì)腔鏡進(jìn)行了鍍膜。測(cè)得光學(xué)參考腔兩端面的平行度為0.185′，通過計(jì)算得到當(dāng)激光從平鏡中心位置入射時(shí)，激光光束在凹面鏡的中心位置相對(duì)偏移了0.027 mm，且腔鏡的的鍍膜區(qū)域?yàn)? mm，光學(xué)參考腔的腰斑半徑為0.27 mm，因此可以忽略因平行度產(chǎn)生的位置偏移量。同時(shí)，利用參考腔線寬掃描的方式對(duì)該光學(xué)參考腔的精細(xì)度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6所示，測(cè)得其腔線寬為41 kHz，對(duì)應(yīng)的精細(xì)度為78 000。

圖6 自制光學(xué)參考腔線寬測(cè)量結(jié)果

3 系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)

3.1 光路設(shè)計(jì)

根據(jù)研制任務(wù)的要求對(duì)超穩(wěn)激光器的光路進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。集成化的光路系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，即光纖光路、腔前光路和腔后光路。由于目前通信波段的光電器件已經(jīng)相對(duì)發(fā)展較為成熟，為了減小光學(xué)系統(tǒng)的體積及質(zhì)量，在設(shè)計(jì)過程中，盡可能地使用光纖器件，其中包括光纖聲光調(diào)制器、光纖電光調(diào)制器以及光纖隔離器，其結(jié)構(gòu)如圖7（b）所示，總體積為200 mm×80 mm×30 mm。為了能夠?qū)⒓す怦詈先牍鈱W(xué)參考腔，必須通過空間光路來改變激光光束進(jìn)入光學(xué)參考腔的腰斑半徑，使之與光學(xué)參考腔的模式進(jìn)行匹配。由于重力或溫度的變化會(huì)影響光路中的光學(xué)器件的位置發(fā)生變化，導(dǎo)致進(jìn)入?yún)⒖记粌?nèi)部的激光方向和位置發(fā)生變化，使得光學(xué)參考腔的耦合效率降低，因此在空間光路的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該盡可能地縮短激光光束進(jìn)入光學(xué)參考腔的光路長(zhǎng)度，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7（a）所示，總體積為110 mm×150 mm×50 mm。光學(xué)參考腔腔后光路也為空間光路，主要是方便對(duì)腔后的透射峰信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判斷超穩(wěn)激光器系統(tǒng)的鎖定狀態(tài)，同樣為了減小光學(xué)器件對(duì)激光光束的位置或角度產(chǎn)生影響，應(yīng)盡可能地減小光路的長(zhǎng)度，其光路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7（c）所示，總體積為80 mm×120 mm×50 mm。光路中的每個(gè)光學(xué)器件與光路板之間，都采用M3的螺釘進(jìn)行連接，且所有的連接處都用螺紋緊固膠進(jìn)行了加固。

圖7 光路集成化設(shè)計(jì)

3.2 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)參考腔真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖8所示，圖8（a）是光學(xué)參考腔真空腔室的設(shè)計(jì)，圖8（b）為裝配好的真空腔室實(shí)物圖。

真空腔室材質(zhì)為不銹鋼，其外壁的直徑為110 mm，下部底盤的直徑為144 mm，整個(gè)真空腔室以及離子泵的高度為160 mm。在真空腔室的內(nèi)部，采用的是兩層鍍金的鋁制圓筒，以減小外部熱輻射帶來的影響。真空腔室與鍍金圓筒、兩層鍍金圓筒以及最里層鍍金圓筒與參考腔支撐架之間的連接，采用真空材料托朗制作的墊片進(jìn)行熱傳導(dǎo)隔離。為了保證光學(xué)參考腔支撐架的牢固性，直接采用6根不銹鋼螺釘與真空腔室的大底盤進(jìn)行連接。同時(shí)為了減小真空腔室與參考腔之間的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，真空腔室底盤與不銹鋼螺釘?shù)倪B接處采用的6塊托朗制作的M6轉(zhuǎn)M14的轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行連接。

圖8 光學(xué)參考腔真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3 物理單元的集成化設(shè)計(jì)

物理部分主要指的是真空系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示，圖9（a）是物理部分集成化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，圖9（b）是物理部分結(jié)構(gòu)集成化的實(shí)物圖。為了將光學(xué)系統(tǒng)與真空系統(tǒng)組裝成一個(gè)整體，在真空腔室的表面焊接了8個(gè)凸耳，再將8個(gè)L型的鋁柱子用M4的螺釘連接在這8個(gè)的“耳朵”上。并在8個(gè)L型的柱子上掏出相應(yīng)的螺紋孔，最后將光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)模塊連接在L型的柱子上。同時(shí)，每個(gè)連接處，都用螺紋緊固膠進(jìn)行了加固。集成化后整個(gè)物理部分的體積為185 mm×160 mm×165 mm。

圖9 光學(xué)參考腔物理部分設(shè)計(jì)

3.4 整機(jī)設(shè)計(jì)

該小型化可搬運(yùn)超穩(wěn)激光器的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10所示，圖10（a）為整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，圖10（b）為超穩(wěn)激光器整機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖，圖10（c）為超穩(wěn)激光器的整機(jī)實(shí)物圖。

該可搬運(yùn)超穩(wěn)激光器的整機(jī)總體積為360 mm×380 mm×300 mm，包括物理部分與電子學(xué)部分。整個(gè)物理部分放置于隔音箱中，該隔音箱外層是鋁制的箱體，箱體內(nèi)部貼有約40 mm厚的隔音棉，隔音棉與鋁板之間貼有鋁箔紙以減小外界溫度的變化對(duì)箱子內(nèi)部的穩(wěn)定影響，整個(gè)隔音箱的體積為360 mm×270 mm×300 mm。整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)包括自動(dòng)鎖定電路系統(tǒng)、電源系統(tǒng)（激光器的電源模塊、自動(dòng)鎖定電路電源模塊、光電探測(cè)器電源模塊），且放置于隔音箱的旁邊，用M4螺釘進(jìn)行連接，其總體積為360 mm×110 mm×300 mm。

圖10 可搬運(yùn)超穩(wěn)激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及樣機(jī)

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

將該可搬運(yùn)的激光器的輸出光與實(shí)驗(yàn)室線寬小于1Hz的超穩(wěn)激光器進(jìn)行拍頻比對(duì)。兩臺(tái)超穩(wěn)激光器的拍頻頻率為128 MHz，利用混頻器將拍頻信號(hào)混到100 kHz以內(nèi)，采用快速傅里葉分析儀（FFT）進(jìn)行測(cè)量，F(xiàn)FT的測(cè)量時(shí)間為1s，測(cè)量分辨率帶寬（RBW）為1Hz。兩臺(tái)超穩(wěn)激光器的拍頻線寬如圖11所示，圖中方形曲線表示的是振動(dòng)測(cè)試前的測(cè)量結(jié)果，通過洛倫茲擬合得到其線寬為1.41Hz，圓形曲線表示模擬車載900 km運(yùn)輸振動(dòng)測(cè)試后的結(jié)果，通過洛倫茲擬合得到其線寬為1.50 Hz。

將實(shí)驗(yàn)室的超穩(wěn)激光器與該可搬運(yùn)光器的拍頻信號(hào)直接通過工作在∧型模式下的頻率計(jì)數(shù)器（Agilent 53230a）直接進(jìn)行測(cè)量，在去除約1Hz/s的線性漂移后，測(cè)得該可搬運(yùn)超穩(wěn)激光器的頻率穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果如圖12所示，其秒級(jí)頻率穩(wěn)定度約為1.0×10-14。從圖中可以看出，在0.4 s以內(nèi)，機(jī)械振動(dòng)對(duì)該可搬運(yùn)超穩(wěn)激光器的頻率穩(wěn)定度影響較為明顯。同時(shí)測(cè)得其頻率穩(wěn)定度在100 s時(shí)上升到2.5×10-13，這表明光學(xué)參考腔的腔長(zhǎng)隨溫度變化較為明顯。

圖11 可搬運(yùn)超穩(wěn)激光器的線寬測(cè)量

圖12 可搬運(yùn)超穩(wěn)激光器的頻率穩(wěn)定度測(cè)量

5 結(jié)語

為了滿足高精度地基授時(shí)系統(tǒng)項(xiàng)目的需求，設(shè)計(jì)了小型化可搬運(yùn)的1550 nm超穩(wěn)激光器系統(tǒng)，對(duì)其工程化進(jìn)行了研究，主要圍繞5 cm長(zhǎng)的可搬運(yùn)光學(xué)參考腔及其真空系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了光學(xué)參考腔的加工，測(cè)得其精細(xì)度為78 000，得到其振動(dòng)敏感度為小于1×10-11/g。同時(shí)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)及真空系統(tǒng)進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，可搬運(yùn)激光器的總體積約為360 mm×380 mm×300 mm，總質(zhì)量約為20 kg。通過運(yùn)輸測(cè)試，測(cè)得該超穩(wěn)激光器系統(tǒng)的抗振加速度達(dá)到±1g以上。通過拍頻比對(duì)，測(cè)得該超穩(wěn)激光器的線寬約為1.41Hz，頻率穩(wěn)定度小于1×10-14@1s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可以看出，基本可以滿足地基授時(shí)項(xiàng)目對(duì)于超穩(wěn)激光器工程化要求，并為國(guó)內(nèi)可搬運(yùn)超穩(wěn)激光器的研究奠定了一定技術(shù)基礎(chǔ)。

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Engineering development of 1 550 nm transportable ultra-stable laser

XU Guan-jun1,2, JIAO Dong-dong1,2, ZHANG Lin-bo1,2, GAO Jing1,2, LIU Jun1,2, FAN Le1,2, CHEN Long1,2, DONG Rui-fang1,2, LIU Tao1,2, ZHANG Shou-gang1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

In order to meet the needs of the High-precision Ground-based Time Service System, the engineering research of a 1 550 nm transportable ultra-stable laser was carried out in this paper. The vibration sensitivity of the 5 cm long optical reference cavity was optimized, which is better than 1×10-11/g. The finesse of the optical reference cavity is 78 000. The integrated designs of the optical and vacuum systems were carried out. The total volume of the whole system is about 360 mm×380 mm×300 mm, and the total mass is about 20 kg. The linewidth of this ultra-stable laser is about 1.41 Hz, and its frequency instability is less than 1×10-14at 1 s. From the experimental results, it can be seen that the ultra-stable laser basically meets the engineering requirements of the ground-based time service, and it will lay a foundation for the research of the transportable ultra-stable laser in China.

ultra-stable laser; optical reference cavity; transportable; frequency stability

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0244-11

許冠軍, 焦東東, 張林波，等. 1550 nm可搬運(yùn)超穩(wěn)激光工程化研制[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(4): 244-254.

2021-04-29；

2021-06-08

“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施資助項(xiàng)目（2018777）；西安市科技局資助項(xiàng)目（E019XK1S04）