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半导体激光器稳频系统研制及其在原子干涉仪中的应用

作　者: 薛洪波
导　师: 王群；周兆英
学　校: 中国地质大学（北京）
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 半导体激光器稳频 饱和吸收 鉴频 伺服控制 频率稳定度
分类号: TH744.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


近年来,窄线宽可调谐外腔半导体激光器（External Cavity Diode Lasers,ECDLs）性能不断提高,因其相对其他激光器具有显著的价格优势,所以在计量检测、光通信、高分辨率激光光谱和一些基础物理学研究等领域被广泛应用,尤其当最近冷原子技术的研究成为热点,其应用前景进一步得到拓展。本文针对原子惯性技术的研究需求,面向外腔半导体激光器,自主研发了基于相敏检测技术的饱和吸收稳频系统,以求取代昂贵的同类进口设备。首先,研究了半导体激光器频率变化的模型及其影响因素,分析并对比了各种稳频方法,确定了基于相敏检测技术的饱和吸收光谱稳频方案,并对饱和吸收鉴频原理和影响因素进行了分析。其次,对系统进行了总体设计,建立了稳频伺服控制系统的数学模型,对整体系统进行了综合,利用频率法将系统校正为希望对数频率特性,获得了良好的控制特性;此外,利用计算机对稳频系统进行了仿真,演绎了锁频系统的工作原理和过程,验证了系统的可行性并指导了电路设计。第三,设计并制作了稳频系统电路,主要包括:本地振荡电路、光电检测及信号调理电路、相敏检测电路、伺服控制校正电路、输出驱动电路及其他部分功能辅助电路。完成了电路系统的集成和封装,形成自主开发的专用稳频设备。最后,采用780nm的外腔半导体激光器,利用87Rb原子的饱和吸收光谱对系统性能进行测试,实验结果表明:系统具有较强的抗干扰能力,2.3s内激光频率漂移小于Δυp-p≈1.5MHz,线宽Δυrms≈0.37MHz,平均时间1s下激光频率长期稳定度阿兰方差为8×10-11。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章 绪论  11-38
  1.1 选题背景  11
  1.2 半导体激光器稳频概述  11-13
  1.3 半导体激光器频率变化模型及影响因素分析  13-18
    1.3.1 外腔半导体激光器  14-15
    1.3.2 激光频率的稳定性和复现性  15-16
    1.3.3 激光器频率变化的数学模型  16-17
    1.3.4 影响外腔半导体激光器频率稳定的因素  17-18
  1.4 半导体激光器稳频方法研究  18-30
    1.4.1 偏频法稳频  18-23
    1.4.2 基于相敏检测的稳频技术  23-29
    1.4.3 稳频方法小结  29-30
  1.5 原子饱和吸收鉴频原理及分析  30-37
    1.5.1 稳频参考频率谱线宽度与线型  30-33
    1.5.2 饱和吸收原理及其稳频  33-37
  1.6 课题来源、研究目标及主要研究内容  37-38
第二章 稳频系统设计与仿真  38-52
  2.1 本章引论  38
  2.2 系统总体方案设计  38-40
  2.3 系统建模、综合与校正  40-47
    2.3.1 PLL 数学模型  40-41
    2.3.2 稳频系统数学模型  41-44
    2.3.3 系统综合与校正  44-47
  2.4 系统仿真  47-51
  2.5 本章小结  51-52
第三章 稳频系统电路设计  52-71
  3.1 电路总体设计  52
  3.2 调制信号发生电路设计  52-55
    3.2.1 本振电路  53-54
    3.2.2 移相电路  54
    3.2.3 功能测试  54-55
  3.3 光电检测及信号调理电路设计  55-60
    3.3.1 光电转换电路及干扰分析  56-58
    3.3.2 信号调理电路  58-60
    3.3.3 功能测试  60
  3.4 相敏检测电路设计  60-63
    3.4.1 滤波器电路  60-62
    3.4.2 混频器电路  62-63
    3.4.3 功能测试  63
  3.5 伺服控制校正电路设计  63-65
  3.6 输出驱动电路设计  65-68
  3.7 系统集成与封装设计  68-70
  3.8 本章小结  70-71
第四章 稳频实验及结果  71-84
  4.1 本章引论  71
  4.2 光学系统  71-73
    4.2.1 激光器  71-72
    4.2.2 饱和吸收光路  72-73
  4.3 实验装置  73-75
  4.4 稳频操作过程  75-79
  4.5 稳频实验结果  79-82
  4.6 稳频系统在原子干涉仪中的应用  82-83
  4.7 本章小结  83-84
第五章 结论  84-86
  5.1 论文主要工作  84-85
  5.2 未来工作展望  85-86
致谢  86-87
参考文献  87-89
附录  89-90

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器 > 物理光学仪器 > 干涉仪
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