高精度定标中激光频率梳散斑抑制的研究

A new generation of precision spectrographs needs to detect a radial velocity Doppler shift with a precision about cm/s, which requires a laser frequency comb (LFC) as the stable high-precision calibration source. After the coherent light of LFC passes through the fiber, especially the multimode fiber, the irregular speckle pattern is formed due to the interference, which seriously affects the high-precision wavelength calibration. The traditional methods to suppress speckle are mostly vibrating fiber or adding the scattering structure. However, the fiber vibration will reduce the fiber life, cause focal ratio degradation and influence system stability; the scattering angle of scattering structure is not easy to control, increasing the coupling difficulty. This project intends to design a set of independent speckle suppression unit. The unit is mainly made of deformable mirror and tip-tilt mirror, which can prevent the speckle, protect the fiber, facilitate the coupling and ensure the stability of the system. The main research contents of the project are the inhibition of the speckle high-frequency structure by the deformable mirror, the effect on stabilizing the centroid of the spot using the tip-tilt mirror, and the research on spectrum calibration precision and long-term stability after the optimization of system design. The research results of this project can also be easily applied to other areas of speckle suppression, such as inertial confinement fusion and laser display.

新一代高分辨率光纤光谱仪对多普勒频移精度设计要求达到cm/s，需要激光频率梳(LFC)作为稳定的高精度定标源。LFC的相干光经过光纤，特别是多模光纤之后，由于干涉形成不规则的散斑图案，严重影响了高精度波长定标。传统抑制散斑手段多采用振动光纤和增加散射结构，但光纤抖动会降低光纤寿命、引起焦比退化和影响系统稳定性；散射结构的散射角度不易控制，增加耦合难度。本项目拟设计一套独立的散斑抑制单元，该单元以变形镜和倾斜镜为主体，实现抑制散斑的同时保护光纤，方便耦合且保证系统的稳定性。项目的主要研究内容是变形镜对散斑高频结构的抑制；倾斜镜稳定光斑质心的效果；经过优化系统设计，光谱的波长定标精度和长期稳定性等方面的研究。本项目的研究成果同时可以方便地应用到散斑抑制的其它领域，如惯性约束聚变和激光显示。

下一代高精度视向速度光谱仪对定标精度要求~cm/s量级，需要激光频率梳(LFC)作为定标源。但激光经过多模光纤之后会形成散斑图案，严重影响了高精度波长定标。为了抑制散斑，本项目提出了以变形镜和倾斜镜为主体的散斑抑制单元并开展了系列研究。（1）本项目研究了变形镜的控制模型对于散斑抑制的影响。结果表明随机数控制模型可以有效抑制散斑效应，但是光斑会出现不对称结构；大气湍流控制模型既能抑制散斑又可以保证光斑的类高斯分布，有利于后续数据处理和分析。因此选用大气湍流模型作为变形镜的控制模型。（2）研究了倾斜镜负反馈效率对于散斑抑制的影响。倾斜镜作为自适应系统的一阶元件，可以将像斑质心位置稳定在亚像素量级，提到定标精度。结果表明当固定单次曝光时间内变形镜形变次数为3000时，变形镜单个面型持续时间与倾斜镜负反馈耗时之比大于8之后，像斑质心变化标准差稳定在0.05个像素。故实际应用中该比例可以取做10。（3）研究了单独使用变形镜对于提高谱线定标精度的影响。实验结果表明当变形镜位于光纤出射端时，单次曝光图像包含不低于100000个散斑花样时，可以有效抑制光纤散斑效应，提高光斑质心稳定性；当变形镜位于光纤入射端时，单次曝光图像包含不低于10000个散斑花样时，也可以达到抑制散斑效应的效果，但性能低于前者。针对分辨率R=100000的光谱仪，在不考虑环境稳定性等其他因素的影响，只考虑散斑效应时，单根定标谱线引起的视向速度定标误差约19.8 cm/s，可以达到国际上主要高精度光谱仪的定标精度。变形镜的使用避免了对光纤施加应力，对光纤使用寿命没有影响；也避免了积分球和漫反射片的引入，提高了光能利用率；变形镜体积小，有助于后期系统的集成化和小型化，便于集成到光谱仪中。本项目的研究可以为我国下一代高精度视向速度光谱仪定标单元的研制提供借鉴。