[發明專利]一種可搬運光學參考腔振動敏感度的測試方法及裝置

有效

• 申請號: 202010584604.0
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111912608B
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發明（設計）人: 陳龍;劉濤;江晨暉;焦東東;張林波;許冠軍;范樂;董瑞芳;張首剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家授時中心
• 主分類號: G01M11/08
• 分類號: G01M11/08;G01H13/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發明提供了一種可搬運光學參考腔振動敏感度的測試方法及裝置，利用腔穩窄線寬激光器系統中光學參考腔共振峰與激光頻率的對應關系，通過聲光調制器周期性掃頻的方式得到光學參考腔顛倒前后共振峰與聲光調制器三角波掃頻信號的位置關系，進而得出2g加速度變化情況下參考腔共振頻率的變化值，測量出參考腔的振動敏感度。本發明方便快捷，能夠降低操作復雜程度和設備成本。

技術領域

本發明屬于光學參考腔領域，涉及一種振動敏感度測試方法，尤其適用于可搬運光學參考腔的振動敏感度測試。

背景技術

具有極高頻率穩定度的窄線寬激光器作為高精密測量的一種手段，在基本物理常數測量、引力波探測、測地學、原子光鐘等科學與技術領域有著廣泛的應用。提高激光頻率穩定度及壓窄激光線寬的方法有多種，其中基于光學參考腔的Pound-Drever-Hall(PDH)穩頻技術是實現超窄線寬激光器最常用的方法之一。該方法將相位調制光譜技術與光外差探測技術結合，把激光頻率精密鎖定在光學參考腔的共振頻率上，具有鑒頻信號強、中心頻率處斜率大、控制范圍寬等特點。由于光學參考腔是窄線寬激光器的頻率參考，其長度穩定性直接決定了窄線寬激光器的頻率穩定性。基于超穩光學參考腔實現的超穩激光的頻率穩定性已經達到10-17量級，也就是參考腔的長度穩定性已經達到了10-17量級。環境中不可避免的振動所導致的參考腔長度穩定性惡化已經成為限制超穩激光性能進一步提升的關鍵因素之一。因此快捷方便的測量光學參考腔的振動敏感度是進一步優化并提升系統穩定性的關鍵一環。

光學參考腔振動敏感度是指光學參考腔的長度對振動的敏感程度，即一定幅值的加速度振動導致的參考腔長度的相對變化。由于光學參考腔通常安裝與真空腔室內，且其長度的變化已經達到10-18m，無法對該長度變化進行直接測量。通常是對待測光學參考腔施加一定幅值的加速度振動，通過拍頻比對的方式測量該振動導致的鎖定于待測光學參考腔的激光頻率變化，進而計算出參考腔腔長的相對變化。光學參考腔振動敏感度測量的一般方法是，首先將激光器輸出激光鎖定于一個超穩光學參考腔的共振頻率，得到一束頻率穩定的激光作為參考激光；其次將另一臺激光器輸出激光鎖定于待測光學參考腔的共振頻率，得到待測激光；然后人為的對待測光學參考腔施加一定幅度的加速度擾動，測量該加速度擾動導致的兩束激光拍頻頻率的變化，從而計算出待測光學參考腔的振動敏感度。該方法一般包含兩臺激光器、兩套鎖頻系統、兩個光學參考腔、一套移頻系統、一套拍頻系統、一套加速度激勵及測試系統和一套頻率測試系統。如2007年S.A.Webster,M.Oxborrow和P.Gill等人(PHYSICAL REVIEW A 75,011801，2007)利用此方法對特殊切割設計的光學參考腔的振動敏感度進行了測量。

為了簡化光學參考腔振動敏感度測試系統，有學者將原來的兩臺激光器簡化為一臺激光器，將一臺激光器輸出激光分為兩束，一束激光鎖定于作為參考的光學參考腔，將另一束激光通過聲光調制器移頻后，鎖定于待測光學參考腔的共振頻率，其他部分不變，仍可實現對光學參考腔振動敏感度的測試。

隨著抗振型光學參考腔的發展，利用光學參考腔與重力加速度的相對關系，上下顛倒光學參考腔可以使光學參考腔產生2g加速度變化，結合上述加速度測試方法，可以實現對光學參考腔振動敏感度的測量，該方法能夠減少一套加速度激勵及測試系統。如2011年S.Webster,and P.Gill(“Force-insensitive optical cavity,”Opt.Lett.36 6,3572(2011))等人利用該方法對立方體參考腔的振動敏感度進行了測量。

綜合以上方法，振動敏感度的測試至少需要一臺激光器、一個作為參考的光學參考腔、一個待測光學參考腔、兩套鎖頻系統、一套移頻系統、一套拍頻系統和一套頻率測試系統。該振動敏感度測試系統仍然十分復雜，不僅操作困難，而且測試儀器所需費用昂貴。本專利將提出一種更加方便快捷的光學參考腔振動敏感度測試方法。

發明內容