[发明专利]面向毫赫兹频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测器及测试系统

说明书

本发明属于光学实验设备的技术领域，其公开了一种面向毫赫兹频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测器及测试系统。其中光电探测器要基于低噪声电压基准作为光电二极管的稳定偏压，采用低暗电流光电二极管，并设计相关外围电路及电磁屏蔽，结合低温漂系数元件、低噪声供电系统以及隔热等技术手段实现了低噪声光电探测器的研制，减小了传统探测器引入的元器件噪声直接影响探测的精度与稳定性。在测试系统中利用高精度数字万用表进行探测器电子学噪声电压的测试与数据采集，用快速傅里叶变换周期图法以及对数轴功率谱密度法将采集的数据进行计算处理，在8 mW激光入射时，探测器抬高为40 dB，为引力波探测中激光强度噪声抑制提供关键器件支撑。

技术领域

本发明属于光学实验设备的技术领域，具体涉及一种面向毫赫兹频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测器及测试系统。

背景技术

引力波探测是现代物理学重要的前言领域之一，空间引力波探测主要面向0.1mHz～1.0 Hz频段范围的引力波信号，这些信号主要是由双致密星系统以及极大质量比双黑洞天体并合等天文事件释放的引力波信号，与地基引力波、原初引力波等探测手段形成互补探测方案。空间引力波探测主要通过在多个卫星中搭建高精度空间惯性基准载荷超稳平台以及通过高精度星间激光干涉测量为核心技术，包括无拖曳控制技术、超高精度星间激光干涉测量技术、超高灵敏度惯性传感技术、精密编队技术、微牛级电推技术等等，其中星载激光系统的激光光源噪声则直接影响超高精度星间激光干涉测量技术的灵敏度，所以需要对激光强度噪声进行抑制，然而现阶段激光强度噪声无法在空间引力波探测全频段低于满足引力波所需的1×10^-4/Hz要求，所以需要对激光强度噪声进行抑制，以便减少激光光源噪声对引力波信号探测的影响。

目前，抑制激光光源强度噪声常用的方法有被动模式清洁器抑制噪声、激光注入锁定抑制噪声、基于半导体光放大增益饱和效应、主动光电负反馈法抑制噪声等。模式清洁器的强度噪声抑制效果体现在高频，对引力波探测所需要抑制的低噪声反而有放大效果，无法满足实验要求；在激光注入锁定抑制噪声技术中只有在种子激光器和从属激光器共振频率附近才会出现可观的噪声抑制效果，低频部分抑噪效果有限，同样无法满足引力波探测的要求；而基于半导体光放大增益饱和效应来抑制噪声也无法排除因相应能级载流子浓度变化引入的低频噪声，所以也不适用于引力波信号探测。

相比于其他强度噪声抑制方案，采用主动光电负反馈法是进行低频段激光强度噪声抑制的有效技术手段，其原理是利用光电探测器探测待稳定激光，并将其转化成电信号，然后与稳定的基准电压源进行比较获取误差信号，之后经伺服系统输出反馈信号，并作用于泵浦源的驱动电路，通过改变泵浦电流实现对激光器增益的调节，从而抑制强度噪声。这其中低噪声光电探测器作为首要光电信号转换器件，其噪声性能直接影响后续反馈回路的信噪比，所以为了提高反馈控制抑制噪声的精度及增益，首先需要降低光电探测器的电子学噪声，并拓展探测器动态范围。其噪声水平直接影响后续光电反馈的最终效果。

因此，为了提高测量精度以及激光噪声抑制水平，现亟需设计一款高稳定性、高增益、低噪声、使用便捷的集成低噪声探测器。

发明内容

针对上述背景技术中关于在抑制激光光源强度噪声研究中现有光电探测器存在高噪声、稳定性差、使用繁琐等诸多弊端，同时也为了进一步提高测量精度以及激光噪声抑制水平。本发明基于低噪声电压基准作为光电二极管的稳定偏压，采用低暗电流光电二极管，并设计相关外围电路及电磁屏蔽，结合低温漂系数元件、低噪声供电系统以及隔热等技术手段实现了低噪声光电探测器的研制。由于mHz以及更低频段无法用现有频谱分析仪进行噪声分析，我们利用高精度数字万用表进行探测器电子学噪声电压的测试与数据采集，用快速傅里叶变换周期图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0.1 mHz-1 Hz频段的电压噪声谱密度。为此，本发明提供了一种面向低频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测器及测试系统。