基于自外差激光线宽测量方法改进的理论与实验研究

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1、密级:硕士学位论文基于自外差激光线宽测量方法改进的理论与实验研究作者姓名：陈玖朋指导教师:刘涛（研究员、中国科学院国家授时中心）学位类别:理学学科专业:天体测量与天体力学研究所:中国科学院国家授时中心二〇一六年五月TheoreticalandexperimentalstudyontheimprovementoflaserlinewidthmeasurementmethodbasedondelayedselfheterodyneinterferometerByJiupengChenADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcad

2、emyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofAstrometryandCelestialMechanicsNationalTimeServiceCenter,ChineseAcademyofSciencesMay,2016致谢致谢又一年春风碎柳，百花碾落，驻足回首，兀自发现流年已悄然逝去。岁月捎走青涩，沉淀下难忘的记忆。古语有云：“师者，传道授业解惑者也”。恩师刘涛研究员是一个学识渊博，治学严谨的科研工作者，同时也是一个严格而又不失慈爱的学习以及精神导师。在其三年的悉心指导下，我逐

3、渐养成了乐于探索、勤于思考的习惯。由衷的感谢他对我的教诲，我将铭记于心。非常感谢张首刚研究员对量子频标研究室付出的心血，给我们提供了良好的学习科研环境，也时常在生活上给予我们帮助。非常感谢董瑞芳老师、张晓斐老师在论文方面给予的细心指导与莫大帮助，使我的论文写作水平获得提升。同时也非常感谢量子频标研究室的姜海峰老师、常宏老师、阮军老师、杜志静老师、马杰老师、李孝峰老师在学习上的指导以及生活中的关怀。特别感谢高静师姐、焦东东师兄，闫露露师姐，学习方面不吝解疑，生活中时常给予关心。也十分感谢邓雪师姐、刘杰师兄、陈龙师兄、刘军师兄、张林波师兄、许冠军师兄、藏奇、曹群在学习及生活上的帮助

4、与关心。非常感谢卢晓春、窦忠、李孝辉、郭际、王玉林等中心领导，感谢人事教育处李平处长、张正老师给予的帮助，是你们将我带到了国家授时中心的大舞台，为我们提供了学习和生活上的各种便利，让我在此快乐的学习生活。十分感谢王浩奔、白巍凯、项晓和翟艺伟、董彪、樊松涛、施俊如、韩建新、魏雅静、髙喆、赵越、史琛、王明、吴鹏、张旭海、于碧云、饶云峰、张涛、姚当等同学的帮助与陪伴。由衷地感谢我的妈妈、哥哥和妹妹以及逝去的父亲，对我无时无刻的关爱与包容，让我变得坚韧与勇敢。真诚地感谢我的发小陈根锐、陈绪山、蒋世杰、隆鑫、陈嘉强、李忠班、陈超兴、赖凡、陈群、汤燕，多年来对我的支持与陪伴，真切的感谢张六

5、一，总是对我包容与关心，也真心感谢刘静姐对我的引导与关怀。最后，感谢对本文提出宝贵意见的各位评审专家以及所有关心、支持、帮助过我的老师、同学和朋友们。作者：陈玖朋I摘要摘要激光线宽或相干长度是光频传递，光纤传感，精密光谱测量，激光雷达、测距以及遥感等研究领域的一项重要指标，对这些系统的噪声性能、测量距离、精度和灵敏度等起着决定性作用。因此，对超窄激光线宽进行高精度的测量成为激光器研究领域的一个热点。目前，可采用的光谱线宽及激光频率噪声特性的测量手段中，自外差探测是一类比较理想的测量方案。自外差探测不需要另一台超窄且更加稳定的光源用作参考，且激光的光谱线型可以直接观测到，无需复杂

6、的频率转换技巧，测量结果直接来源于其拍频谱。然而，现有的自外差测量技术方案中，延迟自外差法（DSHI）测量分辨率极为有限，仅适合线宽不低于1kHz的激光线宽测量；尽管循环损耗补偿延迟自外差法（LC-RDSHI）解决了DSHI测量分辨率较低的不足，但其测量精度较为有限，且系统调试比较繁杂，不利于实际应用。本文从自外差线宽测量的基本原理出发，分析了传统LC-RDSHI线宽测量精度有限的根本原因。进而提出了参数不敏感型LC-RDSHI以及Michelson型LC-RDSHI。相较于传统LC-RDSHI，本文提出的两种新方案具有更高的线宽测量精度，且系统调试过程更为简易。根据LC-RD

7、SHI的数学模型，理论推导了两种新方法的输出拍频功率谱，并结合软件仿真，分析了系统参数变化以及延迟时间对拍频信号功率谱的影响。同时，讨论了LC-RDSHI系统的多次循环干涉效应、相对强度噪声、光纤双折射效应以及频率振动等对激光线宽测量精度的影响。在理论分析基础之上，我们搭建了相应的实验装置，测量了三种方法的系统输出功率谱，基于测量的功率谱比较了三种线宽测量方法的测量精度，实验结果表明，相较于传统LC-RDSHI，参数不敏感型LC-RDSHI以及Michelson型LC-RDSHI系统调试更为