空间单频激光器相频控制方法与技术研究

Single-frequency laser and its phase and frequency manipulation methods have extensive application prospects on the fields of frontier space science and space engineering. Currently, the researches on this area mainly focus on directly reconstruct and reinforce of the existing ground technology to adapt the space environment, which cannot meet the requirements of the future space applications with higher precision and longer on-orbit operating lifetime. In view of the abovementioned predicament of the current approaches, this project intends to concentrate on disclosing the physical mechanism and the performance evolution of the phase noise and the frequency noise of the space-borne single-frequency lasers with the space environment factors, proceed from the essential characteristics of the launching and space orbiting environments and the space payload application, make systematic research on basic elements involved in the phase and frequency manipulation around the whole research chain, explore new ideas and establish new technical framework for research on the phase and frequency manipulation system of space-borne signal-frequency lasers. The research contents mainly include: 1) constructing a complete characterization and measurement system of phase and frequency properties; 2) studying the physical mechanism and the performance evolution of the phase noise and the frequency noise of the space-borne single frequency lasers with the space environment factors; 3) proposing new precision frequency manipulation methods and studying the relative key technologies; 4) carrying out the research on space environment reliability of the proposed methods, and establishing performance prediction and evaluation system. The research results of this project will provide scientific theoretical foundation and technical support to the development of the space-borne lasers technologies in our country.

单频激光器及其相频特性的精确控制在前沿空间科学和空间工程技术领域有着重要的应用前景。当前该领域的研究思路主要是直接对地面系统进行空间环境适应性改造和加固，不但存在诸多局限，也面临不能满足未来更高精度、空间在轨周期更长应用需求的困境，本项目拟以空间环境要素作用下单频激光器相频噪声来源机理与性能演化规律的揭示作为研究的着眼点，从发射环境、空间环境、空间载荷应用的本质特点出发，对相频控制过程涉及的基本要素进行全链条、系统性的研究，为空间单频激光器相频控制系统的研究开拓新的思路、建立新的方法与技术体系。研究内容包括：1）构建单频激光器相频特性的统一表征与测量体系；2）研究空间环境要素作用下单频激光器相频噪声的机理和性能演化规律；3）研究空间单频激光器相频控制的新方法及其关键技术；4）进行空间环境适应性研究，建立性能预测和评估方法体系。项目的研究将为我国空间激光技术的快速发展提供理论基础与技术支撑。

单频激光器及其相频特性的精确控制在前沿空间科学和空间工程技术领域有着重要的应用前景。本项目以单频激光器相频噪声来源机理与性能演化规律的揭示作为研究的着眼点，对相频控制过程涉及的基本要素进行全链条、系统性的研究，为空间单频激光器相频控制系统的研究开拓新的思路、建立新的方法与技术体系。研究内容包括：1）构建单频激光器相频特性的统一表征与测量体系，发明了一基于实时光场相位测量的单频激光器噪声测试新方法，开发了国际领先的单频激光噪声测试仪，动态线宽测试能力超越了功率谱估计的物理分辨率限制，实现了单频激光器注入锁定和频率调谐过程中相频噪声动态特性的测量，得到了传统方法无法测量的极小时间窗内激光特性演化的动态特征为空间单频激光及其应用研究提供了定量测量手段； 2）研究了单频激光器相频噪声在扫频、稳频、倍频过程中及强度噪声在光纤传输过程中的性能演化规律，建立了单频光纤激光器噪声耦合模型和自注入锁定下线宽压缩的量化理论关系，基于自注入锁定和光纤延迟技术，实现了200Hz洛伦兹线宽且0.8-353 kHz范围内线宽可控的单频激光输出；基于半导体放大器增益饱和效应，实现了单频光纤激光器强度噪声的大幅抑制，强度噪声低于-150 dB/Hz（0.8kHz~50 MHz），接近量子噪声极限；3）研究空间单频激光器相频控制的新方法及其关键技术，发明了基于相干探测注入的激光锁相技术，实验实现了注入激光功率低至1nW的弱光相位锁定，残余相位噪声本底到3E-5rad/sqrt(Hz)，频率稳定度达3E-17@1s；研制了两种新型全光纤化频率参考：发明了利用熔融塌缩密封法的空芯光子晶体光纤CO2吸收池，实现了485kHz（峰峰值）的稳频激光输出；研制和利用光纤光栅FP作为频率参考，将半导体激光器的频率噪声抑制了30 dB，并实现了0.8 nm的准连续波长调谐；基于光纤环形谐振腔利用转移腔技术将超稳定窄线宽激光器的频率稳定性进行转移，获得了4E-12@1s的频率稳定度。 4）项目成果在“风云四号” 卫星稳频激光器、 “风云三号” 卫星稳频激光器、 “风云三号” 卫星计量激光器、 “太极一号” 卫星低噪声激光器等多个航天型号项目中获得实际应用，为国际首台静止轨道干涉式大气垂直探测仪研制了空间长寿命稳频激光器。项目的研究将为我国空间激光技术的快速发展提供理论基础与技术支撑。