双腔双频固体激光器正交解调Pound--Drever--Hall稳频方法及实验研究
大频差可调谐双腔双频固体激光器由于其调谐范围宽，成为合成波长绝对距离干涉测量系统的理想光源。绝对距离干涉测量的精度由合成波长的大小及其稳定性决定，而合成波长的大小由双频激光的频差大小决定，合成波长的稳定性取决于双频激光的频差稳定性。因此，开展双腔双频固体激光器的频差稳定研究对其在合成波长绝对距离测量领域的应用具有重要意义。 本论文对双腔双频固体激光器的稳频方法进行了深入研究，采用正交解调相位调制光外差(Pound-Drever-Hall，PDH)稳频技术设计了双腔双频固体激光器稳频系统方案，并对方案的可行性进行了研究。 首先，分析了PDH稳频技术特性及噪声对稳频性能的影响，建立PDH稳频系统噪声模型，研究各噪声源对闭环的噪声贡献；从控制理论出发，通过分析PDH稳频系统各环节在频率快速捕获区的输入输出响应特性，获得各环节传递函数，创建了PDH稳频系统在频率快速捕获区的复频域模型，研究了该模型的静态响应和动态响应特性。 其次，在分析PDH稳频原理及传统PDH稳频系统存在模拟相敏检波误差的基础上，摒弃了传统PDH稳频系统中的移相器，提出了基于窄带信号正交分解与正交基带变换理论的正交解调PDH稳频方法，并设计了正交解调PDH稳频系统。该系统采用同一DDS产生三路等幅同频的本振正弦、余弦信号，其中一路信号作为相位调制信号，另外两路相位正交的本振信号作为混频器的参考信号，对激光频率漂移信号的同相分量和正交分量进行模拟解调，经A/D转换后进行数字检波，得到激光频率漂移误差信号。分析了正交解调PDH稳频系统的主要误差源，并设计了数字校正滤波器，优化了系统结构。 再次，对单腔单频固体激光器正交解调PDH鉴频特性和频率跟踪特性进行了实验研究，验证了正交解调PDH稳频方案的可行性。构建了1064nm单频固体激光器正交解调PDH鉴频实验系统，获得了色散型误差曲线，系统线性动态范围约为8.39MHz，鉴频灵敏度为24.4mV/MHz。将激光频率漂移误差信号反馈调节F-P参考腔的腔长，实现了F-P腔某一中心频率实时跟踪单频固体激光器谐振频率的变化，锁定时长约1th。 最后，针对双腔双频固体激光器结构特点，提出了双腔双频固体激光器正交解调频差稳定方案。采用同一高精细度、高稳定性F-P参考腔作为两个正交解调PDH稳频单元的公共频率基准，将直线腔和直角腔的两个谐振频率同时稳定在F-P参考腔的两个不同谐振峰中心频率处，从而实现双频激光频差的稳定。该方案除了共用稳频基准——F-P参考腔之外，两个稳频单元还共用相同的本振、A/D采集和软件处理模块。 总之，本论文不但探索了正交解调PDH稳频方法，而且为双腔双频固体激光器的稳频系统设计提供了新的方案，为今后进一步开展双腔双频固体激光器稳频及应用技术研究奠定了坚实的基础。
固体激光器;正交解调;相位调制;频差稳定性
西安理工大学
博士
机械工程;机械电子工程
焦明星
2018
中文
TN248.1
2019-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）