《超稳光学参考腔关键性能测试》

1超稳光学参考腔关键性能测试本文件给出超稳光学参考腔（以下简称“参考腔”）关键性能的测试方法。本文件适用于实验室用、可搬运及面向空间应用的超稳光学参考腔关键性能的测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T15313激光术语GB/T7247.1激光产品的安全第1部分：设备分类和要求3术语和定义GB/T15313界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1超稳光学参考腔ultra-stableopticalreferencecavity采用超低膨胀系数材料制备，具备极高腔长稳定性，用于激光频率锁定的法布里-佩罗（F-P）谐振腔，是超窄线宽激光器的核心频率参考源。3.2振动敏感度vibrationsensitivity，Sᵥ参考腔腔长相对变化量与所受加速度扰动的比值，表征腔长对振动的敏感程度，单位为g-1。3.3温度敏感度temperaturesensitivity，Sₜ参考腔腔长相对变化量与环境温度变化量的比值，表征腔长对温度的敏感程度，单位为K-1。3.4自动锁定功能auto-lockingfunction参考腔与激光器失锁后，通过模拟-数字混合控制实现自动寻峰、参数优化并重新锁定的功能，核心指标包括锁定成功率、锁定时间。4一般要求4.1测试条件4.1.1标准测试大气条件应符合下列要求：a)环境温度：20℃±2℃;b)相对湿度：4575%;2c)大气压力：86kPa～106kPa。4.1.2仲裁测试大气条件应符合下列要求：a)环境温度：23℃±1℃;b)相对湿度：4852%;c)大气压力：86kPa～106kPa。4.1.3整个测量系统应处于无明显振动、气流、烟尘及杂辐射环境。4.2测试设备4.2.1除非另有规定，测量所用频率计数器、激光干涉仪、光电探测器、频谱分析仪、振动测试台、精密温控箱等仪器的不确定度应优于5％。4.2.2测量所用的标准计量仪器应经计量机构检定合格，并在检定有效期内使用。4.2.3为了保护仪表免受不允许的突然过载，允许在测试设备上采用保护装置，但不应影响测量精度。4.3安全防护应符合符合GB/T7247.1中的要求。4.4被测参考腔被测参考腔应在额定工作条件下充分预热稳定，可搬运参考腔应完成支撑预紧力检查与结构状态确认。当基模精细度异常时，允许采用高阶模测试，并在报告中注明工作模式。4.5测试准备除非另有规定，关键性能测试应按下列要求做好准备：a)按各性能测试原理框图连接光路；b)调节测试环境至4.1要求；c)对激光干涉仪、频率计数器等进行零点校准，对振动测试台进行加速度校准。5关键性能测试方法5.1振动敏感度测试5.1.1测试原理通过振动台施加可控加速度扰动，测量扰动前后参考腔共振频率变化，结合腔长与频率的关系(∆v/v=∆L/L），计算振动敏感度。5.1.2测试程序振动敏感度测试步骤如下：a)将参考腔固定于振动台，光轴分别对准X（光轴方向）、Y（垂直光轴水平）、Z（垂直）方b)采用PDH技术将激光器锁定在参考腔最优模式，记录初始共振频率f0；c)施加加速度扰动：幅值0.1g～1g，频率1Hz～100Hz，每个工况测量n≥10次；d)记录每次扰动后的频率变化∆f，按公式计算振动敏感度：Sv(1)式中：α——为加速度扰动（m/s2）；f0——为初始共振频率（Hz）；e)结果：可搬运参考腔振动敏感度≤1×10_ll/g。5.2温度敏感度测试5.2.1测试原理通过精密温控箱改变环境温度，测量不同温度下参考腔共振频率变化，反推腔长相对变化量，得到温度敏感度。5.2.2测试程序温度敏感度测步骤如下：a)将参考腔置于温控箱，腔内放置铂电阻温度计，稳定≥1h后记录初始温度T0和频率f0；b)以0.1K为步长调节温度，每个温度点稳定≥30min，记录Ti和fi；c)按公式计算温度敏感度：St=.......................................................(2)d)结果：ULE玻璃参考腔温度敏感度≤3×10-6/K。5.3腔长稳定性测试5.3.1测试原理通过激光干涉仪直接测量腔长随时间的变化，或通过PDH误差信号监测频率漂移，反推腔长稳定5.3.2测试程序（干涉仪法）腔长稳定性测试（干涉仪法）步骤如下：a)将激光干涉仪测量头对准参考腔两腔镜中心，分辨率设置为0.1nm；b)连续采集数据：采样频率1Hz（秒级）、1/3600Hz（天级），采集时长≥7d；c)计算不同时间尺度的腔长相对变化量∆L/L，绘制稳定性曲线；d)结果：实验室参考腔天级腔长稳定性≤1×10-16。5.4精细度测试5.4.1测试原理测量参考腔自由光谱区（FSR）与腔线宽(δv通过比值计算精细度（F=FSR/δv高阶模测试需避开腔镜缺陷区域。5.4.2测试程序5.4.2.1基模（HG₀₀)测试采用可调谐激光器（线宽≤1kHz）扫描参考腔，记录透射峰信号，测量FSR（相邻纵模间距）和δv（半高全宽）5.4.2.2高阶模测试调节模式匹配透镜，通过模式分析仪识别HG01模，重复上述扫描，测量F01；45.4.2.3结果重复测量n≥10次，取平均值，要求精细度相对偏差≤5％。5.5热噪声测试5.5.1测试原理通过测量锁定于参考腔的激光器频率噪声，反推参考腔热噪声（含腔体、腔镜、镀膜热噪声或通过有限元仿真计算热噪声极限。5.5.2测试程序（实验法）热噪声测试（实验法）步骤如下：a)将两台超稳激光器分别锁定于被测参考腔和标准参考腔，拍频得到微波信号；b)用频谱分析仪测量拍频信号的相位噪声谱密度S_φ(f)，按公式计算频率噪声谱密度：式中：Sx(f)——为参考腔位移功率谱密度（m2/Hz）；c)结果：ULE玻璃参考腔热噪声贡献的频率稳定度≤8×10-16@1s。5.6频率稳定度测试5.6.1测试原理通过两台锁定于参考腔的激光器拍频，计算拍频信号的阿伦方差，表征频率稳定度。5.6.2测试程序频率稳定度测试步骤如下：a)将两台超稳激光器（A、B）分别锁定于同型号参考腔，拍频得到信号（频率：MHz量级用频率计数器采集不同采样时间τ（1s～1000s）的拍频频率值yk；b)按公式计算阿伦方差：式中：N——为测量次数(≥100）；c)结果：实验室参考腔频率稳定度≤1×10-15@1s，可搬运参考腔≤1×10-14@1s。5.7线宽测试5.7.1测试原理通过拍频信号的相位噪声谱密度积分，得到激光器有效线宽（反映参考腔对激光线宽的压窄效果）。5.7.2测试程序线宽测试步骤如下：a)延续5.6的拍频系统，用频谱分析仪测量拍频信号的相位噪声谱密度S_φ(f)；b)按公式计算有效线宽：c)重复测量n≥10次，取平均值；d)结果：实验室参考腔锁定激光线宽≤0.3Hz，可搬运参考腔≤1.5Hz。5.8自动锁定功能测试5.8.1测试原理模拟参考腔失锁，监测自动重锁过程，评估锁定成功率、锁定时间及重锁后性能。5.8.2测试程序自动锁定功能测试步骤如下：a)将激光器锁定在参考腔最优模式，记录初始误差信号斜率(≥100mV/Hz）；b)模拟失锁：1)温度扰动：控温箱温度跳变±0.1K；2)振动扰动：振动台施加0.5g/10Hz冲击；c)记录自动锁定参数：1)锁定成功率：连续100次失锁-重锁，成功率≥98%;2)锁定时间：中值锁定时间≤16.6s，≤20s的概率≥86%;d)重锁后性能：测试线宽变化≤0.3Hz，频率稳定度变化≤2×10-16@1s。5.9可搬运性测试5.9.1测试原理模拟公路/铁路运输环境，测试运输后参考腔的腔长稳定性、精细度及线宽变化。5.9.2测试程序可搬运性测试步骤如下：a)预处理：记录参考腔初始性能（振动敏感度、精细度、线宽）；b)振动测试：1)正弦扫频：1Hz～2000Hz，加速度±1g，扫频速率1oct/min，持续30min；2)随机振动：0.125g²/Hz（10Hz～2000Hz），持续15min；c)冲击测试：半正弦冲击，10g/11ms，X、Y、Z轴各3次；d)后性能测试：1)振动敏感度变化≤5×10-12/g；2)精细度变化≤5%;3)线宽变化≤0.5Hz。5.10光纤光频传递适配性测试5.10.1测试原理评估参考腔锁定激光作为光纤传递光源的适配性，通过100km～200km实地光纤链路，测量传递稳定度。5.10.2测试程序6光纤光频传递适配性测试步骤如下：a)选择两台参考腔锁定激光：线宽∆v1=0.3Hz（最优模式）、∆v2=50Hz（对比组）；b)在112km实地光纤链路上搭建传递系统；c)测量传递稳定度：1)∆v1光源：传递稳定度≤4.8×10-18@1000s；2)∆v2光源：传递稳定度≤1.3×10-17@1000s；d)验证光钟适配：在224km链路中传输锶原子光钟信号，传递稳定度≤7.7×10-19@1000s。6数据处理与报告6.1数据处理6.1.1异常值剔