NIM 穩(wěn)頻激光器在FG5－112絕對(duì)重力儀上的測(cè)試分析

田 蔚 張為民 錢 進(jìn) 葉文蔚 胡 明 鐘 敏

1 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市徐東大街340號(hào)，430077

2 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京市北三環(huán)東路18號(hào)，100029

地球重力場(chǎng)是近地空間最基本的物理場(chǎng)之一，反映了地球物質(zhì)分布及其隨時(shí)間和空間的變化。絕對(duì)重力儀［1，2］在國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展以及國(guó)家安全中具有極為重要的應(yīng)用。在資源勘探領(lǐng)域，通過高精度測(cè)量重力場(chǎng)，可以反演獲取地球資源分布的重要信息，對(duì)于我國(guó)能源、礦產(chǎn)資源勘探具有極為重要的戰(zhàn)略價(jià)值。在國(guó)防領(lǐng)域，絕對(duì)重力儀可應(yīng)用于導(dǎo)彈無(wú)依托發(fā)射及彈道計(jì)算，對(duì)提高中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈命中精度具有重要作用，對(duì)于國(guó)家安全的意義十分重大。同時(shí)，絕對(duì)重力儀還可以應(yīng)用于檢驗(yàn)等效原理和Watt天平方案質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［3］等物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)。美國(guó)Micro－gLaCoste公司的FG5絕對(duì)重力儀是目前廣泛使用的絕對(duì)重力儀產(chǎn)品，其測(cè)量不確定度達(dá)到μGal量級(jí)。

FG5絕對(duì)重力儀使用的穩(wěn)頻激光器為Winters Electro－Optics公司的100 型碘穩(wěn)頻He－Ne激光器，該激光器能夠提供633nm 的激光，并提供1×10－11（1s）的頻率穩(wěn)定度。中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所在國(guó)內(nèi)最先引進(jìn)并使用美國(guó)FG5絕對(duì)重力儀［4］，熟悉該儀器的基本結(jié)構(gòu)和性能。在過去的20a時(shí)間里，平均2～3a就會(huì)遇到激光器故障，每次都需要將激光器返回美國(guó)維修，通常需要1～2月的維修和運(yùn)輸時(shí)間，并且進(jìn)出口的手續(xù)十分繁雜。

本文介紹利用中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院（NIM）研制的碘穩(wěn)頻He－Ne激光器替換FG5中使用的Winters Model 100碘穩(wěn)頻He－Ne激光器的實(shí)驗(yàn)情況和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 NIM 激光器簡(jiǎn)介

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院量子部激光波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室研制的碘穩(wěn)頻He－Ne激光器是一種波長(zhǎng)為633 nm 的實(shí)用型碘穩(wěn)定激光系統(tǒng)［5］。這種激光系統(tǒng)以127I2分子的非飽和蒸汽壓的飽和吸收譜線作為穩(wěn)定激光的頻率參考標(biāo)準(zhǔn)。激光器部分由半內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的He－Ne 激光增益管、石英玻璃間隔器、127I2分子吸收室、帶壓電陶瓷的諧振腔鏡及其相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。激光器腔長(zhǎng)26cm，單縱模工作范圍500 MHz左右。吸收室經(jīng)過特殊工藝處理，內(nèi)為非飽和蒸汽壓的127I2分子，其飽和吸收峰對(duì)應(yīng)的頻率對(duì)環(huán)境溫度的變化不敏感，因此系統(tǒng)中省略了吸收室溫度的控制環(huán)節(jié)。在633nm波長(zhǎng)附近，共有可作為頻率參考標(biāo)準(zhǔn)的127I2分子的飽和吸收峰21個(gè)，該系統(tǒng)能覆蓋其中a～n共14個(gè)。其頻率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為6.3×10－11，1 000s的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于2.5×10－12。系統(tǒng)的飽和吸收峰識(shí)別、頻率鎖定及狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程簡(jiǎn)單，輸出功率大，系統(tǒng)小型，操作簡(jiǎn)單，能夠作為絕對(duì)重力儀的激光干涉儀的光源。NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器與Winters Model 100 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器的主要參數(shù)如表1所示。

根據(jù)表1 中兩臺(tái)激光器的主要參數(shù)可以看出，NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器的激光頭尺寸比Winters的碘穩(wěn)頻He－Ne激光器略小，這樣就可以在不更改FG5激光干涉系統(tǒng)框架的情況下，僅增加一個(gè)小的固定架就可以將NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器安裝在FG5激光干涉系統(tǒng)框架上，整個(gè)替換過程十分簡(jiǎn)便。同時(shí)NIM 激光器的激光頭和電路的質(zhì)量都比Winters激光器的要輕，能夠在一定程度上減輕野外運(yùn)輸?shù)呢?fù)荷。而兩臺(tái)激光器的主要不同點(diǎn)——激光器的輸出功率等，則可以通過調(diào)節(jié)光路順利解決。

表1 激光器主要參數(shù)Tab.1 Laser key specifications

2 替換激光器的對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

替換激光器的對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)利用的是中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所于1995年引進(jìn)的FG5－112絕對(duì)重力儀，該絕對(duì)重力儀使用的是Winters Model 100＃128碘穩(wěn)頻He－Ne激光器。實(shí)驗(yàn)在中科院測(cè)量與地球物理研究所一樓一觀測(cè)基墩上完成，該測(cè)點(diǎn)距馬路較近，因此環(huán)境噪聲較大。整個(gè)替換實(shí)驗(yàn)僅更換激光器部分，其余裝置及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)均使用FG5原始的系統(tǒng)。

2.1 FG5－112正常觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

FG5－112使用Winters Model 100＃128 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器，將頻率鎖定在e峰上，50個(gè)落體為1組，測(cè)量4組。

圖1 是測(cè)量的4 組數(shù)據(jù)中的一組數(shù)據(jù)。FG5－112在使用Winters Model 100＃128 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器時(shí)，其單組落體的誤差分布在±100μGal以內(nèi)。

圖1 FG5正常觀測(cè)時(shí)單組落體分布示例Fig.1 FG5drops in one set of normal observation

FG5－112 使用Winters Model 100 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器正常觀測(cè)時(shí)的4組測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 FG5－112使用Winters激光器正常觀測(cè)結(jié)果Tab.2 Test result of FG5－112with Winters laser

2.2 替換NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

將Winters Model 100碘穩(wěn)頻激光器更換為NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器，如圖2 所示。Winters Model 100碘穩(wěn)頻激光器與FG5的控制箱僅由唯一的接口連接，即激光器尾部的激光鎖定后的電壓信號(hào)需要連接到FG5控制器上，用來判斷激光器鎖定在哪個(gè)峰上。更換NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器后，為了完全模擬Winters Model 100激光器，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)連接到FG5的控制器上，并使NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器也工作在e峰上。

圖2 FG5更換NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器組裝實(shí)物圖Fig.2 FG5with NIM iodine－stabilized He－Ne laser

根據(jù)表1，兩臺(tái)激光器主要參數(shù)的不同點(diǎn)為激光器的輸出功率。由于NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器的激光強(qiáng)度遠(yuǎn)大于Winters Model 100激光器，因此在未對(duì)光路進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器光強(qiáng)太強(qiáng)使得光電接收器輸出的正弦波出現(xiàn)了飽和被斬波的情況。通過調(diào)整光路使光電接收器接收的光強(qiáng)減弱。表3中條紋優(yōu)化一欄中的電壓表示光電接收器輸出的正弦波信號(hào)的峰值大小，該電壓大小就表征了光電接收器接收光強(qiáng)的大小。

與FG5 正常觀測(cè)時(shí)的配置相同，仍然是50個(gè)落體為1組，每次實(shí)驗(yàn)3組，在光電接收器輸出為288mV 和210mV 時(shí)分別進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)。

圖3是測(cè)量的6組數(shù)據(jù)中的一組數(shù)據(jù)。從中可以看到，F(xiàn)G5－112替換8＃ NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器時(shí)，其單組落體的誤差分布仍然在±100 μGal以內(nèi)。

FG5－112使用8＃ NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器觀測(cè)的6組測(cè)量結(jié)果如表3所示。

圖3 FG5－112替換8＃ NIM 碘穩(wěn)頻激光器的測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test result of FG5－112with 8＃ NIM iodine－stabilized laser

表3 FG5－112替換8＃ NIM 碘穩(wěn)頻激光器的測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of FG5－112with 8＃ NIM iodine－stabilized laser

表3中的288 mV 為接近飽和狀態(tài)，但是并沒有達(dá)到飽和狀態(tài)；而210 mV表示進(jìn)一步減弱光強(qiáng)的一個(gè)例子，進(jìn)行多次不同光強(qiáng)的測(cè)試，當(dāng)光電接收器輸出的正弦波兩端均不飽和時(shí)，光電接收器處光強(qiáng)的大小對(duì)測(cè)試結(jié)果基本無(wú)影響。

2.3 觀測(cè)結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)比表2 和表3 的觀測(cè)結(jié)果，使用8＃NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器時(shí)，無(wú)論是單組落體的誤差分布，還是觀測(cè)的重復(fù)性，都與FG5－112使用Winters Model 100＃128 激光器正常觀測(cè)時(shí)相同。為了進(jìn)一步驗(yàn)證替換NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器后觀測(cè)的穩(wěn)定性，進(jìn)行了1d內(nèi)多次測(cè)試，還進(jìn)行了多天的測(cè)試，結(jié)果都與FG5－112 使用Winters激光器進(jìn)行觀測(cè)時(shí)的情況相同。

由于FG5絕對(duì)重力儀系統(tǒng)僅僅更換了激光器，并針對(duì)不同激光器對(duì)光路進(jìn)行相應(yīng)的微調(diào)［6－9］，可以認(rèn)為，NIM碘穩(wěn)頻He－Ne激光器的性能水平和Winters Model 100碘穩(wěn)頻He－Ne激光器的性能水平對(duì)FG5系統(tǒng)的影響相當(dāng)，在FG5系統(tǒng)中完全可以使用NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器進(jìn)行替換。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過將NIM 穩(wěn)頻He－Ne激光器替換FG5上使用的Winters Model 100碘穩(wěn)頻He－Ne激光器進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，NIM 碘穩(wěn)頻He－Ne激光器能使FG5 正常工作，完全能夠替代Winters Model 100碘穩(wěn)頻He－Ne激光器，為國(guó)內(nèi)FG5用戶提供了一種激光器的新選擇。

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