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量子光学学报 2022年第1期28卷 1-7页

作者：赵子琳李番李瑞鑫武志学尹王保杨荣草田龙山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006 山西大学激光光谱研究所山西太原030006 山西大学物理电子工程学院山西太原030006 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006

空间引力波探测面向0.1 mHz~1 Hz频段引力波信号,在此频段内包含了更大特征质量和尺度的波源信息。目前的空间引力波探测计划都采用大型激光干涉仪装置进行探测,其中激光光源系统以及无拖曳系统等关键部件的灵敏度都依赖于极低的电学噪... 详细信息

空间引力波探测面向0.1 mHz~1 Hz频段引力波信号,在此频段内包含了更大特征质量和尺度的波源信息。目前的空间引力波探测计划都采用大型激光干涉仪装置进行探测,其中激光光源系统以及无拖曳系统等关键部件的灵敏度都依赖于极低的电学噪声,然而极低电学噪声受限于航天器上电压基准源的噪声水平,这就需要研发低噪声电压基准源并对激光强度噪声及关键电学器件的电学噪声进行低频段噪声表征。本文通过选定低噪声基准芯片,并设计相关外围电路、仿真模拟、电磁屏蔽、采用低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了低噪声基准电压源的研制。由于0.1 mHz~1 Hz频段无法用现有商用设备进行此全频段噪声分析,我们利用高精度数字万用表进行基准源输出电压的测试与采集,并采用快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度法将采集的数据进行计算处理,得到所研发电压基准在0.01 mHz~1 Hz频段的电压噪声谱密度。实验结果表明电压噪声谱密度在0.01 mHz时达到1.85×10^(−3)V/Hz^(1/2),在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内在4.89×10^(−4)V/Hz^(1/2)以下。此低噪声电压基准源的研发及其噪声评估为空间引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件支撑。

关键词：空间引力波探测电压基准源电压噪声表征对数轴谱密度算法

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面向空间引力波探测的程控低噪声高精度电压基准源

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物理学报 2023年第4期72卷 377-383页

作者：王嘉伟李健博李番郑立昂高子超安炳南马正磊尹王保田龙郑耀辉山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006 山西大学极端光学协同创新中心太原030006

引力波探测打开了探索宇宙的新窗口,开启了多信使天文学时代.大型激光干涉仪作为空间及地基引力波探测装置,需要使用低噪声激光光源,通过光电负反馈降噪技术可以抑制激光噪声,提高大型激光干涉仪的灵敏度.光电负反馈控制需要将光电探测... 详细信息

引力波探测打开了探索宇宙的新窗口,开启了多信使天文学时代.大型激光干涉仪作为空间及地基引力波探测装置,需要使用低噪声激光光源,通过光电负反馈降噪技术可以抑制激光噪声,提高大型激光干涉仪的灵敏度.光电负反馈控制需要将光电探测器信号与电压基准源信号相减,之后经过比例积分微分器得到误差信号,来控制泵浦电流驱动器的输出功率,从而实现激光噪声抑制.由于光电探测器信号受激光强度影响,其输出电压在一定范围内变化,这就需要电压基准源信号的输出电压可变;另外,电压基准源的性能直接影响反馈控制环路的整体性能,是激光噪声抑制的下限.本文通过选定低噪声基准芯片及数模转换芯片,设计外控电路、采用低温漂系数元件、通过精密布板及电磁屏蔽等方案,研发高精度低噪声程控电压基准源;并通过可编程逻辑门阵列模块编程控制数模转换,实现程控电压基准源输出电压精密变化.结果表明:所研发的电压基准源输出电压范围为-10V—+10 V,输出电压分辨率达20 bit,在空间引力波频段输出电压的相对噪声谱密度低于9.6×10^(-6)Hz^(-1/2),基准源噪声性能均优于相应引力波探测中对激光强度噪声要求,为引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件支撑.

关键词：空间引力波探测电压基准源电压噪声表征对数轴谱密度算法

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面向毫赫兹频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测技术

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光子学报 2023年第5期52卷 272-281页

作者：郑立昂李番王嘉伟李健博高丽贺子洋尚鑫尹王保田龙杨文海郑耀辉山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006 山西大学极端光学协同创新中心太原030006 中国空间技术研究院西安分院西安710000

通过选定低噪声电压基准芯片作为光电二极管的稳定偏压,采用低暗电流光电二极管,设计外围跨阻放大电路,利用低温漂系数元件,温控及电磁屏蔽等,研发低噪声光电探测器,并通过低频段强度噪声评估系统对其噪声进行测试评估。实验结果表明:... 详细信息

通过选定低噪声电压基准芯片作为光电二极管的稳定偏压,采用低暗电流光电二极管,设计外围跨阻放大电路,利用低温漂系数元件,温控及电磁屏蔽等,研发低噪声光电探测器,并通过低频段强度噪声评估系统对其噪声进行测试评估。实验结果表明:所研发的低噪声探测器在空间引力波频段的电子学噪声谱密度在1.649×10^(-5)V/Hz^(1/2)以下,在0.1 mHz处为1.649×10^(-5)V/Hz^(1/2),在1 mHz处为6.95×10^(-6)V/Hz^(1/2),在1 Hz处为7.07×10^(-8)V/Hz^(1/2);在8 mW激光入射光电二极管时,探测器抬高为40 dB。该探测器噪声性能均小于相应引力波探测中对激光强度噪声的要求,可为引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件支撑。

关键词：激光放大器空间引力波探测光电探测电压噪声表征对数轴谱密度算法

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面向空间引力波探测的低噪声电压基准源实验研究

面向空间引力波探测的低噪声电压基准源实验研究

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作者：赵子琳山西大学

学位级别：硕士

引力波是爱因斯坦广义相对论中引力场方程的波动解,可以理解为包含时间在内的四维时空波动,其以光速传播且信号微弱。引力波探测提供了传统电磁观测手段无法获得的信息,为进一步研究宇宙开启了崭新的窗口,对多信使天文学等学科的发展奠... 详细信息

引力波是爱因斯坦广义相对论中引力场方程的波动解,可以理解为包含时间在内的四维时空波动,其以光速传播且信号微弱。引力波探测提供了传统电磁观测手段无法获得的信息,为进一步研究宇宙开启了崭新的窗口,对多信使天文学等学科的发展奠定了重要基础。空间引力波探测的科学目标是探测0.1 m Hz～1 Hz频段的引力波信号,与地基引力波以及原初引力波等探测计划形成互补。对于0.1 m Hz～1 Hz范围的极低频段,噪声成分更加复杂,在探测时需要部署更大的激光干涉仪装置来实现。空间引力波探测中激光光源噪声抑制以及无拖曳系统等关键部件对探测灵敏度的影响都依赖于极低的电学噪声。然而,受低频1/f噪声、热噪声等因素影响,抑制低频段的激光强度噪声面临着挑战。光电负反馈法是抑制激光强度噪声的有效技术手段之一,这就需要将光电探测器信号与电压基准源信号进行比较并得到误差信号,之后反馈到泵浦电流控制器等进行负反馈调节来降低激光强度噪声。这其中低噪声高稳定性的电压基准源是光电负反馈法中的关键器件,其性能决定了整个反馈系统性能的上限,为了提高激光强度噪声抑制反馈效果,首先需要降低其电学噪声,并拓展探测器动态工作范围。本论文针对空间引力波探测中所需的低噪声电压基准源需求,开展电压基准源集成研发及噪声评估等方面工作,本论文主要的研究内容如下: 1.搭建了针对0.1 m Hz～1 Hz频率范围的噪声测试系统。由于商用仪器无法直接对这一频段的噪声进行评估及对比,本论文通过对比周期图法、Welch法和对数频率轴功率谱密度法对该频段的频率分析结果,确定数据分析算法,经过实际测试,设置合适的采样速率,确定了强度噪声在低频段的实验测试流程。 2.研制了低漂移的直流稳定电源。由于电压基准源的输出会受电源噪声的干扰,利用桥式整流、电容滤波、串联反馈稳压电路,实现了低漂移电源电压的输出,减小电压基准源受到电源输出电压噪声的影响。 3.研制了基于AD587芯片的低噪声电压基准源。利用基准芯片得到高精度电压输出,结合Sallen-Key二阶有源低通滤波器,通过设置电阻阻值和电容容值的大小,得到合适的截止频率,最终实现在0.1 m Hz～1 Hz频段低噪声电压基准源的制备。 4.研制了基于LTZ1000芯片的低噪声高稳定性的电压基准源。利用芯片内部的集成元件,结合外部反馈电路,实现温度的控制,包括测温晶体管压降随着温度改变,控制加热电阻功率,以及利用补偿晶体管与齐纳二极管进行温度补偿。通过外部电路的设计,同时采用高质量的元件,温度变化时参数的变化量小,并对电路进行了电磁屏蔽、主动温控等外部技术手段,实现了低噪声高稳定度的电压基准源。该电压基准源可以用于0.1 m Hz～1 Hz的激光强度噪声抑制,为空间引力波探测奠定了技术基础。

关键词：空间引力波探测电压基准源电压噪声表征

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