面向星间激光干涉测距的高精度小型化验证系统

激光干涉测距仪是下一代地球重力场探测卫星和空间引力波探测任务的核心载荷。搭建了一套基于锁相应答机制的小型激光干涉仪,在0.1 Hz处的噪声谱密度为0.17 nm/Hz^1/2,远低于下一代地球重力场探测的测距噪声要求。另外,验证了数据后处理方式抑制光学锁相噪声的可行性,进一步将系统噪声降低到0.11 nm/Hz^1/2。该高精度小型化验证系统是测试激光干涉测距系统关键技术指标的有力工具。     

空间引力波探测激光外差干涉信号模拟系统

由于激光外差干涉测量系统光机平台无法模拟多普勒频移,并且商用信号发生器无法实现多种类、高复杂度的星间外差干涉信号模拟,不能对空间引力波探测的相位计进行全面测试。通过分析外差干涉信号的特性,研究信号模拟系统的实现原理及方法,设计了空间引力波探测激光外差干涉信号模拟系统。首先,应用直接数字合成器（DDS）模拟外差干涉信号。其次,通过频率偏移方式模拟多普勒效应,应用混合同余算法生成散粒噪声并调制到外差干涉信号中。最后,基于FPGA搭建系统硬件平台,通过示波器及频谱分析仪分析生成信号的时频特性。实验结果表明,信号模拟系统在2~20 MHz的频率范围内杂波抑制度为?53 dBc,谐波（二次）抑制达到?47 dBc,生成信号的时频特性符合理论预期,满足空间引力波探测相位计的地面测试需求。     

望远镜光程稳定性测量方案设计与分析

空间激光干涉测距系统对望远镜的光程稳定性提出了皮米级的要求。为了测量望远镜光程稳定性,基于法布里-珀罗(F-P)干涉仪设计了望远镜光程稳定性测量方案。介绍了基于PDH(Pound-Drever-Hall)锁频技术将望远镜腔内的光程长度变化转为激光频率变化的测量原理。根据已有的实验数据分析了在光程稳定性测量公式中对稳定性测量结果有影响的物理量,并对测量方案中各部件引入的外部噪声进行测量和分析。实验结果表明：光程稳定性测量公式中绝对激光频率测量误差和望远镜腔自由光谱范围测量误差对望远镜皮米级光程稳定性测量的影响非常小,影响量分别为7.1×10^-9 pm/Hz^1/2和5.0×10^-3 pm/Hz^1/2。在1～100 mHz频段内,与测量方案中电子噪声、拍频测量噪声和剩余幅度调制噪声等效的光程噪声分别为0.14、0.01、3.57 pm/Hz^1/2。为实现望远镜的皮米级光程稳定性测量,需要进一步开展抑制剩余幅度调制噪声方面的研究工作。     

单频激光宽频段频率和强度噪声测量技术

报道了一种mHz至MHz宽频段激光噪声的规范测量技术。通过研制基于迈克耳孙光纤干涉仪的相关延时自外差频率噪声测量装置和具有定标功能的光外差拍频测量装置,结合频谱分析仪和快速傅里叶变换分析仪等标准仪器,规范地测量出了单频激光在mHz至MHz宽频段内的频率和强度噪声特性,并验证了测量结果的准确性。该测量技术有望应用于引力波探测和精密测量等应用中的激光噪声评估。     

空间引力波探测超前瞄准机构研制与测试

探测低频引力波需要脱离地缘噪声干扰，在空间搭建激光干涉引力波探测装置。太极、LISA、天琴等空间引力波探测任务，计划在几十万到几百万公里量级的臂长上实现皮米级的位移测量精度，以满足引力波探测的要求。在探测任务中，考虑轨道季节性变化和星间激光传输时间等因素，发射光束需要一个超前角度，确保远端望远镜能够接收到光束，从而完成星间激光干涉。针对发射光束需要超前角度的需求，设计并研制了一款用于激光干涉链路中提供超前角度的光束指向机构，即超前瞄准机构。该机构基于将偏转轴配置在反射镜面上的设计理念，采用柔性铰链和杠杆配合的结构形式，利用压电陶瓷自闭环进行驱动控制，实现光束一维高精度偏转。对该机构进行仿真分析，验证其力学特性以及偏转范围。对所研制的机构进行了一系列实验测试，结果表明，该机构偏转范围可达到709.4μrad，偏转精度可达到0.44μrad，机构偏转引起的光程差优于10 pm/(Hz)^1/2 (1～10 Hz)。从而验证了该机构设计的可行性，为实现光束超稳高精度偏转提供一定的参考。     

多自由度测量技术研究现状及发展趋势

介绍了用于实时多自由度测量的测量方法和当前的发展动态,给出了每种测试技术的测试原理和应用场合,比较各种技术的优缺点和适用范围.提出了一种新颖的基于激光外差干涉的多自由度测量方法,该方法有很高的精度和测量范围.     

压缩态光场及其应用研究进展

1981年,Caves教授首次提出“压缩态”的概念,并指出利用压缩态光场可以提高激光干涉引力波探测的灵敏度。在过去的四十年,压缩态光场不仅成功用于突破标准量子极限的引力波探测、位移测量、位相测量等量子精密测量领域,而且基于单模压缩态制备的双模压缩态和多组份纠缠态也在量子计算、量子通信等量子信息处理中扮演着重要的作用。本文简要介绍了压缩态光场的基本概念、制备、探测方法及其在量子精密测量、量子通信、量子计算中的应用进展。     

远程高速激光外差信号的高灵敏度探测器研究

针对多轴、高速和超精密激光干涉测量系统对光电接收器在探测灵敏度、响应带宽和稳定性等方面的特殊需求,提出一种基于远程探测的高带宽激光外差信号探测方法。首先,针对多轴激光干涉测量中多个传统光电接收器热耗散大、严重影响测量精度的问题,设计远程光纤探头,将光接收与光电信号处理部分完全分开,彻底消除光电接收器热耗散对测量系统的影响;其次,针对单光轴光功率微弱、难以探测和稳定性差的问题,设计具有主动温度漂移特点的APD高压反向偏置电源,在提高光电接收器探测灵敏度的同时增强其温度稳定性;设计的光电探测器能够实现远程光耦合传输,耦合效率能达到38%以上,最大探测灵敏度为0.52μW,测量带宽可达17.5MHz,满足多轴、高速超精密激光干涉测量系统对光电接收器的性能需求。     

能量天平动圈位移的激光干涉测量研究

为精确测量普朗克常数h,实现能量天平法建立量子质量基准,提出了三轴双频激光外差干涉和折叠式Fabry-Perot(F-P)干涉绝对距离测量相结合的激光干涉测量方法,用于精密测量和定位能量天平装置中沿竖直方向在均匀磁场中运动的互感线圈位移。用三轴双频激光外差干涉精密测量运动线圈的质心位移和姿态,位移测量不确定度为10nm;进而将F-P腔干涉绝对距离测量与外差干涉测量结果进行比对和校准。仿真表明,采用本文方法,当位移测量范围约为30mm时,测量分辨率优于1nm。将该方法运用于真空中线圈位移测量,相对测量不确定度优于1.0×10-9。     

面向空间引力波探测的低噪声平衡零拍探测系统研究（特邀）

空间引力波探测频段位于0.1 mHz~1 Hz范围内,在该频段内包含了更大特征质量和尺度的引力波波源信息。目前,基于不同尺寸及空间轨道的大型激光干涉空间引力波探测计划已经逐步实施,其中在干涉仪的激光光源系统中,需要抑制激光强度噪声及频率噪声等,光电探测作为激光噪声表征及抑制的第一级器件,其性能将直接影响激光噪声抑制效果。通过选定低噪声芯片、高稳定偏压系统的基础上,采用自减电路及跨阻放大电路进行整体电路设计;在电磁屏蔽、低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了高增益低噪声平衡零拍探测系统的研制;结合快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度算法对其增益、带宽等性能进行评估测试,并进一步对激光的强度噪声在0.05 mHz~1 Hz频段进行探测表征。实验结果表明:所研发平衡零拍探测电子学噪声谱密度在1 mHz~1 Hz的频率范围内在3.6×10?5 V/Hz1/2以下,小于空间引力波探测对激光光源噪声要求;进一步当入射光功率为400 μW时,测量得到平衡零拍探测系统在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内增益在20 dB以上;激光强度噪声谱密度在1 mHz处为3.6×10?2 V/Hz1/2,实现低噪声光电探测及激光强度噪声表征,为空间引力波探测中激光强度噪声表征及抑制等方面提供关键器件支撑。     

基于激光干涉法的谐振式高加速度振动传感器校准技术研究

校准是保证振动传感器测量结果准确和可靠的重要手段。针对传统中频校准装置无法提供高加速度振动激励以及高加速度振动量值无法溯源的问题,开展基于激光干涉法的谐振式高加速度振动传感器校准技术研究。基于谐振原理建立谐振式高加速度振动发生装置,实现高加速度振动发生;建立外差激光干涉法绝对振动校准系统,通过对外差激光干涉信号的直接采集和解调,实现了高加速度振动测量和校准。实验结果表明,该系统能够在140-2929 Hz频率范围、100-10000 m/s²加速度范围内实现振动传感器的灵敏度幅值与相位的有效校准。     

基于相干包络解调的窄线宽测量算法研究

激光线宽对光学相干探测系统的探测范围、精度和噪声特性都有重要影响。为精确测量半导体激光器的线宽值,提出了通过解调短延时自外差的干涉谱来实现高精度窄激光线宽测量的新方法。搭建短延时的自外差干涉测量系统,得到半导体激光器的干涉谱,通过设计算法对干涉谱的相干包络进行解调,最终获得了严格的洛伦兹线型谱和相应的谱线宽度,通过理论分析、仿真和实验验证了该方法的可行性。该方法可以忽略因1/f频率噪声产生高斯展宽带来的影响,与传统线宽测量方法相比,该方法的测量结果更加精确。     

双光学频率梳的多波长外差干涉测距方法的距离不确定度影响因素研究

装备精密制造、空间导航定位和卫星编队等领域要求激光干涉仪的测距精度在几千米到几百公里范围内达到pm量级,这是传统激光测距技术无法达到的。因此,利用等间隔多光谱光频梳特性,基于多波长激光干涉测量原理和双光学频率梳外差干涉测距数学模型,研究相位测量不确定度、空气折射率不确定度和信号重复频率引起的不确定度等因素对距离测量不确定度的影响。结果表明：距离测量不确定度会随温度的增加、压强的增大、二氧化碳体积分数的升高而减小;相比传统光学频率梳干涉测距法,温度越高、压强越大,双光学频率梳外差干涉测距法的距离测量不确定度下降越明显,当二氧化碳每立方米的体积分数在0.75%～0.80%范围内时,两种方法的距离测量不确定度趋于一致。     

空间外差光谱技术及其在大气遥感探测中的应用

基础研究表明大气微量气体成分的精确反演需要超高分辨率光谱数据,空间外差光谱技术是近年来得以迅速发展的新型超光谱分析技术,综合了光栅及傅里叶变换光谱技术的特点。对空间外差光谱技术基本原理进行了分析,阐述了空间外差干涉数据复原光谱信息流程。针对大气主要温室气体CO2开展空间外差光谱技术在大气遥感探测方面的应用研究,通过地基遥感观测实验,分析空间外差光谱系统的探测灵敏度,验证超光谱数据对大气微量气体浓度变化检测能力。实验表明空间外差光谱技术在大气遥感探测尤其是微量气体成份探测中具有针对性和优越性。     

面向空间引力波探测的激光低频段相对强度噪声测试技术

面向空间引力波探测对激光光源相对强度噪声的严苛需求,开展了极低相对强度噪声在低频段的测试表征技术研究。构建了基于低噪声光电探测器、高精度数字万用表以及快速傅里叶（FFT）频谱分析仪在低频段0.1 mHz～100 kHz的相对强度噪声测试系统。利用高精度数字万用表及FFT分段Smooth窗函数平滑算法实现对0.1 mHz～0.5 Hz的极低频段内相对强度噪声测试,本底噪声低于-99 dBc/Hz,同时利用低噪声放大器及FFT频谱分析仪测试在1 mHz～100 kHz的相对强度噪声,本底噪声低于-105 dBc/Hz。两种测试手段在1 mHz～0.5 Hz重叠频段内噪声测试结果的一致性验证了所构建测试系统在低频段测试结果的准确性。利用所构建的相对强度噪声测试系统对自研空间引力波探测用平面波导环形腔（NPRO）激光器、商用光纤激光器、商用外腔半导体激光器等多种激光器进行测试评估,并对其噪声成分及来源进行分析。所构建的低频段相对强度噪声测试系统可满足空间引力波探测对激光强度噪声评估的需求,同时也适用于其他低频段精密测量应用的激光光源噪声评估。     

太极计划激光链路构建地面模拟控制系统研究

太极计划需要通过激光捕获指向系统实现两颗卫星之间超长距离(3×10⁶ km)的激光链路构建，并且实现1μrad的捕获精度以及■(1 mHz～1 Hz)的指向抖动控制精度。空间引力波探测提出利用星敏感器(STR)、互补金属氧化物半导体(CMOS)捕获相机以及四象限光电探测器(QPD)等三级探测器逐步构建双向激光链路的方案，并最终通过差分波前传感技术(DWS)测量的高精度姿态信息来实现超稳的激光指向抖动控制。目前该方案仍处于理论论证阶段。为了测试该方案，采用实验室现有激光捕获指向一体化的光学系统以及一块ZYNQ芯片的自研板卡，尝试实现整个激光链路构建过程的全自主控制流程。实验结果表明：在大气环境下，成功自主完成了双向激光链路的构建，最终对应到实际系统望远镜前的捕获精度达到了0.07μrad，指向控制过程的控制精度在太极计划的敏感频段内达到了■，能够满足任务需求。实验成功验证了激光链路构建方案的可行性，为下一步太极计划激光链路构建控制系统工程实施阶段的板级实现奠定了基础。     

用外差干涉法探测固体表面激光超声的研究

简述了用外差干涉法探测固体表面激光超声的原理和实验结果，提出并论证了提高外差干涉法探测激光超声信号强度的方法和途径。     

激光光栅干涉技术的微位移测量研究

为提升精密测量的精度与量程,提出了激光光栅干涉技术的微位移测量方法.通过集成双光栅微位移测量方法以2 组近似正交相位差的光栅交替选择并累积高灵敏度测量区域,扩大测量量程,且在测量过程中避免激光光束存在抖动问题,通过频率调解法实行外差干涉信号处理,转变待测物理量的信息为调相或调频信号,实现测量的高分辨率.检测结果表明,该...     

自驱动拓扑半金属NiTe2太赫兹探测器

太赫兹在高速通信、生物医学、无损检测、空间探测和安全防护等众多领域有广阔的应用前景，然而高灵敏室温太赫兹探测器是其亟待解决的难题之一。新兴拓扑材料特殊的光电子学性质为太赫兹探测开辟了新路径。基于第一性原理计算第Ⅱ类狄拉克半金属NiTe₂的能带结构及拓扑表面态，采用机械剥离法得到NiTe₂纳米片，通过集成电路工艺制备金属-NiTe₂-金属场效应晶体管，并测量其太赫兹光电流响应。结果表明，室温下NiTe₂响应度可达2.44 A/W，噪声等效功率约为14.96 pW/Hz^1/2，在零偏压自驱动下，响应度仍有2.25 A/W，噪声等效功率下降到9.55 pW/Hz^1/2，可与同类探测器媲美，且具有较大的线性度范围，在空气中也具有良好的稳定性。该器件良好的性能对进一步促进室温太赫兹探测器实际应用及集成具有重要意义。     

双路信号相位同步测量系统设计与实现

为了实现2维外差干涉位移测量中信号相位的精确同步探测,采用整周期计数与脉冲填充相结合的方法,利用同一时钟基准,对双路信号进行同步检测与并行处理,设计并实现了一种基于现场可编程门阵列的双路外差干涉信号相位同步测量系统。该系统在100kHz载波频率下测量分辨率可以达到0.18,双路信号下的相位同步测量误差同样为0.18。结果表明,该系统实现了整小数相位的精确测量,确保了双路信号相位的实时同步探测,能够满足各种2维外差干涉位移测量系统对相位同步测量的需求。