碘分子激光稳频及其中剩余幅度调制的研究

雷克儿

在碘稳频激光系统中将激光频率锁定在作为自然基准的碘分子的超精细谱线上，以实现对激光频率的稳定。碘稳频激光系统的结构相对简单，容易小型化，可搬运性好，性价比高，同时在1 ～ 10000 s时间尺度上能够实现10-14 ～ 10-15量级的频率稳定度。这些特点使得碘稳激光适用于许多领域，如精密干涉测量、重力测量、引力波探测、精密激光光谱学等。而在以上这些应用领域中，对系统的紧凑性、重量、体积、可靠性和稳定性等相互制约的性能参数都提出了一定的要求。虽然在研制碘分子稳频激光方面已经做了大量工作，但是为了进一步发掘其指标潜力和拓展其应用，还需要解决几个关键问题。如对系统主要噪声源之一的剩余幅度调制在碘分子稳频中的影响及定量分析，以及如何降低它对频率稳定度的影响。此外，碘稳频激光在空间应用方面有很好的前景，除了提高运转可靠性之外，它的稳定度潜力有待进一步挖掘。目前的工作是一个研究项目的一部分，该项目采用碘分子气相调制转移光谱法，开发了两套类似的、高稳定度的532 nm碘稳定系统，旨在确定系统稳定性的最终限制因素。论文的第一部分致力于两套532 nm碘分子激光稳频系统中多束激光的功率稳定以及对关键部件的高精度控温。首先回顾了在类似系统上的已有工作，包括532 nm波长附近碘分子超精细谱线的研究进展。其次介绍了碘稳频的基本原理和系统构成。在此基础上开展光功率稳定和高精度温控的实验研究。测试并比较了光功率稳定前后，激光功率的波动，还评估了系统的光功率稳定效果。两套碘稳频系统的相对光功率波动都控制在2.7 × 10-4以内，测量时长为6.5小时。对电光晶体及碘室冷指进行精密控温，两套稳频系统中电光调制晶体的温度波动已降至0.5 mK（NORTH）和0.4 mK（SOUTH）以内，而碘室冷指处的温度波动控制在1.6 mK（NORTH）和0.2 mK（SOUTH）以内，同时由碘室内压强波动引起的激光频率波动的相对稳定度在1000 s内都优于3 × 10-17。论文的第二部分介绍我们在空间非均匀剩余幅度调制形成机理方面的深入研究。剩余幅度调制是限制碘分子光钟长期稳定度继续提高的关键因素之一。长期以来，人们一直有观察到剩余幅度调制在激光束横截面上的不均匀性，但这种空间不均匀性的确切原因尚不清楚。本项研究采用了几种不同类型的电光晶体对空间非均匀性进行了测量和分析。与已有的研究方法不同，这里是连续变化解调信号相位，记录下大量的中间态。通过对这些中间态的分析，发现了空间分布中存在两种本征分量，最终确认空间非均匀分布可以通过晶体内部的声光互作用来解释。在实验中还观察到了很多在已有研究中没有涉及到的空间非均匀分布的特性，如本征分量的空间分布花样在光束横向的各个角度呈现规律性演化，本征分量随调制强度的变化等，都是此次试验中得到的新现象。此外，在确认了空间非均匀剩余幅度调制的机制后，进一步降低了空间非均匀剩余幅度调制的强度，提高了剩余幅度调制的稳定性。当调制频率为11 MHz（120 kHz）时，1000 s平均时间剩余幅度调制的稳定度提升至3 × 10-7（8 × 10-8），对应的频率不稳定度为1 × 10-17（3 × 10-18）（鉴频斜率为1 × 10-4 V/Hz）。通过本项研究，在原有的碘稳频实验系统上实现了多路的高精度控温，也分别对泵浦激光和探测激光进行了功率稳定。在此基础上评估了功率波动、温度波动以及RAM对激光频率稳定度的影响。此外也通过实验和理论分析确认了空间非均匀剩余幅度调制的形成机理，并找到了降低这种效应的有效方法。这些研究工作为碘稳频激光噪声分析和稳定度评估提供了重要的参数信息，更为进一步提高碘稳频激光的性能创造了非常有利的条件