超穩(wěn)和超低相位噪聲低溫藍(lán)寶石振蕩器的研究.pdf

1、在精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，頻率作為準(zhǔn)確度最高的物理量，帶動(dòng)了現(xiàn)代基礎(chǔ)測(cè)量、高速通信系統(tǒng)、導(dǎo)航和雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域的發(fā)展。低溫藍(lán)寶石振蕩器由于具有超高短期穩(wěn)定性和極低相位噪聲，使其可用于深空探測(cè)、基礎(chǔ)物理研究等對(duì)頻率源精度有著苛刻要求的場(chǎng)合。當(dāng)前擁有世界紀(jì)錄的低溫藍(lán)寶石振蕩器的最高頻率穩(wěn)定度在積分時(shí)間為32s時(shí)可實(shí)現(xiàn)2.4×10-16，相位噪聲高達(dá)-100dBc/Hz（載波為10GHz，偏置頻率1Hz）。而其頻率穩(wěn)定度的預(yù)測(cè)值在10-104s積分時(shí)間

2、段內(nèi)可實(shí)現(xiàn)3×10-18。該性能與光鐘的水平相當(dāng)，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加牢靠、更易搭建且費(fèi)用更低。為探究和突破當(dāng)前低溫藍(lán)寶石振蕩器性能的限制，本人主要負(fù)責(zé)搭建系統(tǒng)，同時(shí)探究不同限制因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響水平。該論文主要討論了用于維持藍(lán)寶石振蕩器振蕩的外圍電子鏈路部分。
　　室溫藍(lán)寶石振蕩器的搭建為低溫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了預(yù)熱，幫助熟悉搭建整個(gè)流程并訓(xùn)練核心技能。實(shí)驗(yàn)室搭建的帶有反饋控制的室溫藍(lán)寶石振蕩器在外界溫度較高和濕度較大的條件下，穩(wěn)定度在積分時(shí)

3、間為0.2s時(shí)為6×10-11，僅次于西澳大利亞大學(xué)在1995年所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的4倍。若對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行穩(wěn)定和控制，采用相同的設(shè)計(jì)，其性能將進(jìn)一步提高。與室溫下相比，低溫藍(lán)寶石振蕩器的Q值可提高至少三個(gè)量級(jí)，這使得藍(lán)寶石諧振腔溫度和入射到腔體的微波功率更易于進(jìn)行反饋控制，且便于實(shí)施Pound鎖頻系統(tǒng)。但因受限于測(cè)量系統(tǒng)中超低相噪信號(hào)源（參考源）的本底噪聲水平，搭建的低溫藍(lán)寶石振蕩器在0.03-1s的積分時(shí)間內(nèi)，頻率穩(wěn)定度僅為1×10-12；

4、相位噪聲在1Hz偏置頻率處為-48dBc/Hz。
　　為促使低溫藍(lán)寶石振蕩器的性能實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)值，需要尋找和研究新的限制因素。通常，低溫藍(lán)寶石振蕩器包括兩種：一種是基于液氦系統(tǒng)，另外一種是無(wú)液氦系統(tǒng)。研究表明，采用不同的低溫系統(tǒng)冷卻同一個(gè)藍(lán)寶石諧振腔會(huì)對(duì)低溫藍(lán)寶石振蕩器的性能產(chǎn)生影響。受此啟發(fā)，來(lái)自無(wú)液氦制冷機(jī)的機(jī)械振動(dòng)可能是新的限制因素。采用高精度的有限元分析方法，驗(yàn)證了這一猜想。為降低機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的本底噪聲，可降低源頭的機(jī)械振動(dòng)水