激光穩(wěn)頻中光學參考腔溫度控制研究

陳龍，張林波，許冠軍，劉杰，劉濤，張首剛

（1．中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2．中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3．中國科學院大學，北京 100049）

激光穩(wěn)頻中光學參考腔溫度控制研究

陳龍1，2，3，張林波1，2，許冠軍1，2，劉杰1，2，3，劉濤1，2，張首剛1，2

（1．中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2．中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3．中國科學院大學，北京 100049）

為精確控制激光穩(wěn)頻中光學參考腔的溫度，將LabVIEW程序與數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合，使用常規(guī)PID控制理論，設(shè)計了一種能自動識別系統(tǒng)故障的參考腔溫度控制系統(tǒng)。分析了溫度不均勻?qū)鈱W參考腔的影響，通過對溫度傳感器連接方式和設(shè)備性能的分析，并參考標準溫度計，對溫度傳感器溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系進行了修正。首次將6個修正的溫度傳感器同時用于光學參考腔的溫度控制，使光學參考腔處于一個溫度均勻且抖動不大于3×10-7℃的環(huán)境中，因參考腔溫度變化而帶來的激光頻率漂移理論上小于0.1 Hz/s。

光學參考腔；溫度傳感器AD592；激光穩(wěn)頻；溫度控制

0　引言

基于光學參考腔的超窄線寬激光[1-2]具有極低的頻率噪聲和極高的短期頻率穩(wěn)定度，在光原子鐘[3]、低相噪微波信號的產(chǎn)生[4]、重力波探測[5]、基本物理常數(shù)測量[6]等方面有著非常重要的應用。參考腔的長度決定著窄線寬激光的頻率，其長度穩(wěn)定性決定了窄線寬激光頻率的穩(wěn)定性。隨著環(huán)境溫度、振動、聲音等因素的變化，參考腔的長度會發(fā)生改變，因此對其進行隔振支撐、真空處理、精密溫度控制、隔聲等是保證頻率參考源穩(wěn)定性不可缺少的措施。

中國科學院國家授時中心開展的超窄線寬激光器研制項目中所用光學參考腔是由超低膨脹系數(shù)玻璃（ULE）制成，長10 cm直徑10 cm的柱形參考腔。腔體首先優(yōu)化支撐在真空室中，真空室被放置在6個鋁質(zhì)面分別隔熱的長方體中。本文介紹了一種控制參考腔溫度的方法。實驗中對該長方體6個面進行單獨控溫，并首次將6個修正的集成溫度傳感器AD592[7-8]作為控制環(huán)路中熱敏元件同時用于光學參考腔的溫度控制中，消除了各個面的溫度差異，為ULE材料處于零膨脹溫度點[9-10]提供了必要條件。

1　參考腔溫度控制系統(tǒng)

為減小由溫度抖動引起的參考腔長度的變化，需要對參考腔進行精密的溫度控制。真空環(huán)境能夠有效減弱溫度的傳遞，實驗中將參考腔平放在真空室中，因真空室外圍配有離子泵等設(shè)備，不易直接進行溫控，故將真空室放置在56×38×36 cm長方體控溫箱中，并在真空室周圍填充大量導熱性差的海綿碎片以進一步降低外界溫度變化對參考腔的影響。

鑒于實驗所需控溫箱體積較大，采取了6個面獨立溫控的方案?？販叵?面為3 mm厚的鋁板，為最大限度地減弱6個面彼此之間的影響，6個面被塑料墊片彼此隔離，不存在明顯的熱傳遞。6個修正后的溫度傳感器被導熱硅膠粘在6塊鋁板的內(nèi)側(cè)中心位置，6塊跟各鋁板大小相當?shù)募訜崮ふ迟N在鋁板外側(cè)用以對其加熱，將整個控溫箱用隔熱海綿包裹，以減弱環(huán)境溫度變化對控溫效果的影響，并達到均勻散熱的目的。加熱膜只能加熱不能降溫，依靠加熱膜的加熱與裝置本身的散熱達到動態(tài)平衡來控制參考腔的溫度。

LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域中最具代表性的圖形化程序開發(fā)平臺[11]，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域有著非常重要的應用。將LabVIEW與NI（National Instruments）公司的數(shù)據(jù)采集卡USB6281結(jié)合使用，設(shè)計了溫度采集與控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

鋁板內(nèi)側(cè)的集成溫度傳感器AD592根據(jù)不同的溫度產(chǎn)生不同的電流，經(jīng)過信號調(diào)理[12]電路將電流信號轉(zhuǎn)換為更容易測量的電壓信號，數(shù)據(jù)采集卡采集到電壓信號并傳輸給PC機上的LabVIEW程序，產(chǎn)生的誤差信號傳遞給晶閘管來判斷是否啟動加熱裝置。PC機上運行的LabVIEW程序流程如圖2所示。

圖2　LabVIEW程序流程圖

實驗過程中發(fā)現(xiàn)當實驗室內(nèi)電壓不穩(wěn)定時會出現(xiàn)系統(tǒng)誤判，例如系統(tǒng)認為溫度遠低于設(shè)定溫度，導致加熱裝置長時間處于連續(xù)加熱狀態(tài)，致使參考腔處于高溫狀態(tài)而損壞。為防止這種情況的發(fā)生，程序中增加了自動識別故障模塊。通過記錄實驗室溫度變化，合理設(shè)置一個溫度范圍，若系統(tǒng)測得溫度超出這個范圍，則自動停止程序。

2　控溫箱溫度均勻性的實現(xiàn)

2.1控溫箱溫度均勻的必要性

光學參考腔共振頻率與其長度有直接關(guān)系，其長度的穩(wěn)定性直接決定了最終激光頻率的穩(wěn)定性。物質(zhì)的熱膨脹性質(zhì)不僅是一個基本的理論問題，而且廣泛涉及電子、光學、結(jié)構(gòu)材料和陶瓷材料的應用和技術(shù)領(lǐng)域[13]。超低膨脹系數(shù)玻璃在室溫附近某溫度點的熱膨脹系數(shù)是零，為最大限度減小光學參考腔因溫度變化而導致的長度變化，必須將參考腔溫度控制在ULE材料的零膨脹溫度點，即把控溫箱6個面溫度控制在同一點。

溫控方案中采用的是將控溫箱6個面單獨控溫，即需要6個溫度傳感器來測量溫度，AD592最大誤差是±0.5℃，若不對AD592溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系進行修正，控溫箱兩個端面溫度差最大可達到1℃。在零膨脹溫度點t0附近ULE材料的瞬時熱膨脹系數(shù)二次關(guān)系式為

式（1）中，線性溫度系數(shù)a的典型值1.8× 10-9/K2，二次系數(shù)b=-10× 10-12/K3[14]。假設(shè)實驗中所用ULE材料的零膨脹溫度點t0=25℃，則t=26℃時其熱膨脹系數(shù)αULE（t =26° C）=1.8× 10-9/K。ULE材料因溫度抖動Δt而帶來的長度變化公式為

式（2）中，L為材料初始長度。為簡化計算模型，假設(shè)長L=10 cm的光學參考腔沿光軸方向一端面處于25℃，另一端面處于26℃環(huán)境中，溫度沿參考腔軸向線性變化。當溫度變化Δt=10-3℃時，參考腔長度變化公式為

穩(wěn)頻實驗中激光波長λ=698 nm ，頻率粗略記為υ=4× 1014Hz ，滿足駐波條件

式（4）中，k為正整數(shù)，n為參考腔內(nèi)空氣折射率，為減小空氣折射率n的波動參考腔放置于壓強為10-6Pa的真空室內(nèi)，故n可取1。根據(jù)式（4）計算得出參考腔溫度變化10-3℃時，激光頻率變化360 Hz。若參考腔溫度變化10-3℃/s，則激光頻率的漂移率為360 Hz/s。對于研制線寬1 Hz的激光，這樣的漂移率是不能被接受的。因此需要對溫度傳感器轉(zhuǎn)換關(guān)系進行修正，使6個面被精確控制在ULE參考腔的零膨脹溫度點，最大限度地減小溫度抖動帶來的頻率漂移。

2.2實現(xiàn)控溫箱溫度均勻的措施

為了將控溫箱6個面溫度控制在同一溫度點，從6個傳感器本身出發(fā)，最大限度地消除彼此之間的差異，對其準確性進行修正。

2.2.1信號調(diào)理電路的選取

集成溫度傳感器AD592是將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?。通常電壓信號的測量比電流信號的測量要更為準確和方便，使用具有低溫度漂移系數(shù)的電阻可將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跍y量的電壓信號。信號調(diào)理是微弱信號檢測和控制系統(tǒng)中不可缺少的一部分，必要的信號調(diào)理能有效提高信噪比，使測量結(jié)果更為精確。3種可供選擇的調(diào)理電路如圖3所示，圖中與AD592串聯(lián)的下電阻均為低溫漂電阻。同等條件下測量實驗室溫度變化，多次計算結(jié)果均顯示方案b的信噪比較高，因此把方案b作為溫度傳感器的連接電路。

圖3　AD592連接電路3種備選方案

方案a信噪比比方案b低的原因是，方案b的下電阻是方案a的3倍，其熱噪聲較小，能在同樣的噪聲環(huán)境下更好地提取有用信號。方案c信噪比低的可能原因是電壓基準源LT1027、儀表放大器AD620等引入了額外的噪聲。

2.2.2數(shù)據(jù)采集設(shè)備穩(wěn)定性驗證

AD592的輸出電流（A）I與熱力學溫度（）T K的關(guān)系為

式（5）中，轉(zhuǎn)換系數(shù)α=1 μA/K。方案b中下電阻兩端電壓（）Uν與攝氏溫度（C）t°之間的關(guān)系為

式（6）中，系數(shù)β=30 mV/K=30 mV/℃。

為驗證數(shù)據(jù)采集設(shè)備的性能，設(shè)備輸入端連接兩個電壓基準，利用式（6）記錄相應溫度變化。兩個基準電壓分別是0 V和6.843 486 V，0 V是將輸入端短接產(chǎn)生的，6.843 486 V是由基準電壓芯片LM199產(chǎn)生并用7位半數(shù)字萬用表測量所得。根據(jù)式（6）可知，0 V對應-273.15℃，6.843 486 V對應-45.034℃。

對設(shè)備穩(wěn)定工作后數(shù)據(jù)分別進行高斯擬合得到：基準電壓為0 V時，溫度平均值-273.172 60(1)℃，半高全寬0.000 40℃；基準電壓為6.843 486 V時，溫度平均值-45.056 25(1)℃，半高全寬0.001 79℃。后者溫度抖動較大是由電壓基準的穩(wěn)定性決定的。由圖4和以上計算得到結(jié)論：①設(shè)備需預熱半小時后才能穩(wěn)定工作；②設(shè)備引入測量噪聲不大于0.000 4℃。測量值與由公式推算的理論值之間的偏差可在后續(xù)的修正中有效消除。

圖4　設(shè)備穩(wěn)定性測量

2.2.3傳感器溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系修正

使用上述信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和溫度電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系，以陜西省檢驗檢疫局的標準溫度計為參考，利用設(shè)備的多通道采集功能同時對16個溫度傳感器AD592的溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系分別進行修正。

以標準溫度計為參考分別設(shè)置了20.073 8℃，25.089 1℃，30.002 3℃，35.014 4℃，40.028 1℃等5個溫度點，將AD592同時置于恒溫源中心處，待恒溫源穩(wěn)定后啟動數(shù)據(jù)采集設(shè)備。根據(jù)已有結(jié)論，數(shù)據(jù)采集設(shè)備先預熱半小時。數(shù)據(jù)采集設(shè)備每秒鐘采集5個數(shù)據(jù)，為減小統(tǒng)計誤差，每個溫度點所采數(shù)據(jù)不少于1 500個，用于后續(xù)的統(tǒng)計處理。

傳感器1#的測量數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)顯示傳感器測量值mt與參考源溫度值t之間存在較大的偏差，根據(jù)上文的分析這種偏差在光學參考腔的溫度控制中是不能容忍的。圖5顯示了各傳感器對同一溫度測量值的差異。為消除偏差，在原溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系的基礎(chǔ)上，將實測溫度值與參考源溫度值進行多項式擬合。

表1　溫度傳感器1# 測量數(shù)據(jù) ℃

圖5　t=25.089 1℃時各傳感器測量值

以傳感器測量值為自變量，參考源溫度為應變量進行擬合。在對不同的傳感器進行不同階次的多項式擬合過程中發(fā)現(xiàn)，線性擬合具有較高的準確性。每個傳感器在溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系式（6）的基礎(chǔ)上分別增加了1個唯一的線性修正。傳感器1#的修正關(guān)系為

式（7）中，mt表示傳感器測量值，t表示參考源溫度值，即修正后的傳感器溫度測量值，k和n的值如表2所示。修正后傳感器之間的差異由未修正時的0.5℃（標準差）改善到0.005 69℃（標準差），減小了約兩個量級，基本滿足了控溫箱溫度均勻的要求。

表2　傳感器1# 修正關(guān)系的參數(shù)值

3　光學參考腔溫度控制結(jié)果及分析

在溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系式（6）的基礎(chǔ)上，將各傳感器修正關(guān)系寫入控制系統(tǒng)程序中，啟動參考腔溫度控制系統(tǒng)。實驗中將各面溫度設(shè)定在25℃，通過優(yōu)化控制系統(tǒng)中的PID參數(shù)，6個面的溫度隨時間變化峰峰值不大于10-2℃。以下表面的溫度為例，其隨時間的變化情況如圖6所示。對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理得到西、北、南、上、下、東6個面溫度的標準差依次為0.000 75℃，0.001 01℃，0.000 87℃，0.000 94℃，0.000 79℃，0.000 84℃，能夠滿足光學參考腔的控溫需求。

圖6　溫控箱下表面溫度隨時間變化情況

將1個未修正的溫度傳感器用導熱硅膠粘貼在控溫箱內(nèi)真空室表面長時間監(jiān)測參考腔溫度變化，在不同的10 d里分別對連續(xù)8 h的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，其標準差如表3所示，真空室表面溫度抖動能夠有效控制在0.003℃以內(nèi)。真空室內(nèi)壓強約10-6Pa，參考腔溫度變化是真空室表面溫度變化的1/10 000[15]，即參考腔溫度抖動約為3×10-7℃。假設(shè)參考腔被控溫度與其零膨脹溫度點差值不大于0.5℃，當真空室表面溫度變化0.003℃/s，由此帶來的激光頻率漂移率約為0.1 Hz/s，基本滿足實驗需求。

表3　控溫箱6面溫度同時控制在25℃時箱內(nèi)溫度變化

4　結(jié)語

基于光學參考腔的超窄線寬激光穩(wěn)頻中，光學參考腔的溫度控制是不可缺少的一個環(huán)節(jié)。本文計算了溫度變化對激光頻率漂移的影響，文中所設(shè)計的參考腔溫度控制系統(tǒng)能夠自動識別因特殊情況電壓不穩(wěn)定等因素造成的程序誤判。結(jié)合使控溫箱各面溫度均勻的措施，將光學參考腔的溫度抖動控制在3×10-7℃以內(nèi)，使因參考腔溫度變化而引入的頻率漂移理論上小于0.1 Hz/s。通過對傳感器溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系的修正，將其準確性提高了近100倍，使控溫箱6個面溫度基本相同，為將參考腔溫度控制在零膨脹溫度點提供了可能?？販叵?面單獨控溫也為對體積較大物體的溫度控制提供了一種參考。

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Research on temperature control of optical cavity for laser frequency stabilization

CHEN Long1，2，3， ZHANG Lin-bo1，2， XU Guan-jun1，2，LIU Jie1，2，3， LIU Tao1，2， ZHANG Shou-gang1，2
（1.National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；2.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard，Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

For precise control of the temperature of the optical reference cavity in the laser frequency stabilization technology， we combined the LabVIEW program with a data acquisition card and designed a temperature control system of reference cavities with conventional PID control theory， which can automatically identify errors in the system.The effect of temperature variation on the optical reference cavity was analyzed.Through the sensor connection and device performance analysis， the temperature conversion relationship for the temperature sensors has been amended with a standard thermometer as a reference.The six revised temperature sensors were used together in the temperature control of optical reference cavity for the first time， therefore anenvironment of uniform temperature with little jitter of ≤3×10-7℃ is created for the cavity.And the frequency drift caused by temperature fluctuations of the optical cavity is suppressed to 0.1 Hz/s.

optical reference cavity； temperature sensor AD592； laser frequency stabilization； temperature control

TM935.12

A

1674-0637（2015）03-0139-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-03-0139-08

2015-05-21

國家重大科研儀器設(shè)備研制專項資助項目（61127901）；國家杰出青年科學基金資助項目（61025023）

陳龍，男，碩士，主要從事高精度時間頻率產(chǎn)生和傳遞研究。