毫赫兹频段低噪声976nm激光泵浦源的设计与测试表征.pdfVIP

中文摘要

在爱因斯坦的广义相对论中，引力被认为是时空弯曲的一种效应，这种弯曲是

因为质量的存在而导致，直接探测引力波信号可以探索更大时空尺度的天文事件，

对推动多信使天文学等学科的发展以及深入理解宇宙起源和演化具有重要的科学意

义。空间引力波探测的波源特征面向更大特征质量和尺度的引力波源信息，可与地

基引力波探测、原初引力波探测、脉冲星引力波探测等形成互补探测方案，进而在

更宽的波段下丰富引力波图谱。

空间引力波探测基于长距离(25-250万公里)激光干涉装置，主要探测0.1mHz-

1Hz频段范围内的引力波信号,在此频段激光光源噪声是探测灵敏度提升的重要限制

因素之一。而激光光源的噪声主要源于激光辐射过程的技术噪声，激光泵浦源作为

激光器的重要组成部分，则是毫赫兹频段激光技术噪声的重要来源之一。本论文针

对空间引力波探测中毫赫兹频段激光强度噪声面临的关键技术噪声问题，探索基于

976nm半导体激光器泵浦源的强度噪声抑制方案。实验中，通过研制高稳定度恒流

驱动源，构建泵浦激光器输出激光强度噪声的评估与主动降噪系统，优化毫赫兹频

段噪声评估算法，实现了毫赫兹频段低噪声半导体泵浦激光输出。本论文具体创新

点如下：

(1)针对毫赫兹半导体泵浦激光器输出激光强度噪声问题，本文在深入分析其作

用机理的基础上，研制了基于负反馈原理的精密恒流驱动电路。同时为了保护运行

的安全性，驱动电路匹配了缓启动电路、过流保护电路和过温保护电路等。继而通

过分析毫赫兹探测频段的驱动源噪声来源，探究影响泵浦驱动源长时间稳定运行的

原因；采用对取样电阻进行高精度精确控温、芯片独立供电等方式，进一步提高自

研泵浦驱动源的长时间稳定工作。

(2)针对毫赫兹激光泵浦源的强度噪声问题，通过理论建模分析噪声来源，构建

激光泵浦源噪声评估与抑制系统，改善其温度稳定性，完成了低噪声976nm半导体

泵浦激光器的设计。测试结果表明，当泵浦驱动源输出3.5A时，4小时内的电流时

-41/2-5

域抖动≤180μA，其取样电阻电压噪声谱密度低于1×10V/Hz@0.1mHz和1×10

V/Hz1/2@1mHz。采取主动反馈控制抑噪后，泵浦激光器的控制环路外环激光相对

-31/2-61/2

强度噪声小于1×10/Hz@(0.1mHz-1Hz)；内环激光相对强度噪声小于4×10/Hz

@(0.1mHz-1Hz)，通过对比，使用自研驱动源搭建的泵浦激光器对比使用商用驱动

源搭建的泵浦激光器的相对强度抑制水平，得出自研泵浦源外环抑噪水平在毫赫兹

频段全频段优于商用驱动源；自研内环抑噪水平比商用驱动源低1.5个数量级。

关键词：空间引力波探测；毫赫兹频段；泵浦驱动源；强度噪声；主动反馈控制

ABSTRACT

InEinsteinsgeneraltheoryofrelativity,gravityisconsideredtobeaneffectofthe

curvatureofspace-time,whichiscausedbythepresenceofmass,andthedirect

detectionofgravitationalwavesignalscanexploreastronomicaleventsonlargerspace-

timescalesthatcannotbedirectlydetected,whichhasimportantscientificsignificance

forpromotingthedevelopmentofmulti-messengerastronomyandin-depth

understanding