散粒噪声极限低频信号的相敏外差探测研究

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低频信号(10 Hz及以下频段)的散粒噪声极限测量在引力波探测、磁致真空双折射效应观测等基础物理研究中具有重要的科学意义。相敏外差探测方法对低频信号具有高灵敏探测能力,在散粒噪声极限低频信号探测中有潜在应用前景,近年来引起国内外科研团队的关注。但是,相敏外差探测作为一种新的探测方法,还需要在理论和实验上进一步研究才能在实际科学研究中发挥作用。本文通过Mach-Zehnder干涉仪产生低频振幅信号、Fabry-Perot干涉仪产生低频位相信号,开展散粒噪声极限低频信号的相敏外差探测理论和实验研究。经过理论计算、方案设计、装置搭建、数据采集,处理以及噪声分析,最后得到如下结果:(1)对低频振幅信号的测量在10 Hz频率附近(最低至0.2 Hz)达到了散粒噪声极限,实现了相干态光信号的高灵敏度测量;(2)对低频位相信号的探测在1 Hz频率附近接近散粒噪声极限,主要受限于该频段的电子学噪声。低频位相信号的探测实验方案利用位相锁定的频率合成光实现了Fabry-Perot腔的锁定,在残余幅度调制伺服系统启动时,探测器的噪声水平在0.3-100 mHz的频段降低了2个量级,比传统的位相调制光锁腔技术的噪声低10 dB,此结果获得了国际同行的认可。本文的研究为相敏外差探测方法在低频信号(10 Hz及以下频段)的散粒噪声极限测量中的应用,奠定了理论和实验基础,可望对低频引力波探测等科学前沿研究产生积极影响。
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