NIM 穩頻激光器在FG5－112絕對重力儀上的測試分析

田 蔚 張為民 錢 進 葉文蔚 胡 明 鐘 敏

1 中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢市徐東大街340號，430077

2 中國計量科學研究院，北京市北三環東路18號，100029

地球重力場是近地空間最基本的物理場之一，反映了地球物質分布及其隨時間和空間的變化。絕對重力儀［1，2］在國家經濟、社會發展以及國家安全中具有極為重要的應用。在資源勘探領域，通過高精度測量重力場，可以反演獲取地球資源分布的重要信息，對于我國能源、礦產資源勘探具有極為重要的戰略價值。在國防領域，絕對重力儀可應用于導彈無依托發射及彈道計算，對提高中遠程導彈命中精度具有重要作用，對于國家安全的意義十分重大。同時，絕對重力儀還可以應用于檢驗等效原理和Watt天平方案質量標準［3］等物理科學實驗。美國Micro－gLaCoste公司的FG5絕對重力儀是目前廣泛使用的絕對重力儀產品，其測量不確定度達到μGal量級。

FG5絕對重力儀使用的穩頻激光器為Winters Electro－Optics公司的100 型碘穩頻He－Ne激光器，該激光器能夠提供633nm 的激光，并提供1×10－11（1s）的頻率穩定度。中國科學院測量與地球物理研究所在國內最先引進并使用美國FG5絕對重力儀［4］，熟悉該儀器的基本結構和性能。在過去的20a時間里，平均2～3a就會遇到激光器故障，每次都需要將激光器返回美國維修，通常需要1～2月的維修和運輸時間，并且進出口的手續十分繁雜。

本文介紹利用中國計量科學研究院（NIM）研制的碘穩頻He－Ne激光器替換FG5中使用的Winters Model 100碘穩頻He－Ne激光器的實驗情況和實驗結果。

1 NIM 激光器簡介

中國計量科學研究院量子部激光波長實驗室研制的碘穩頻He－Ne激光器是一種波長為633 nm 的實用型碘穩定激光系統［5］。這種激光系統以127I2分子的非飽和蒸汽壓的飽和吸收譜線作為穩定激光的頻率參考標準。激光器部分由半內腔結構的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的調節機構組成。激光器腔長26cm，單縱模工作范圍500 MHz左右。吸收室經過特殊工藝處理，內為非飽和蒸汽壓的127I2分子，其飽和吸收峰對應的頻率對環境溫度的變化不敏感，因此系統中省略了吸收室溫度的控制環節。在633nm波長附近，共有可作為頻率參考標準的127I2分子的飽和吸收峰21個，該系統能覆蓋其中a～n共14個。其頻率相對標準不確定度為6.3×10－11，1 000s的頻率穩定度優于2.5×10－12。系統的飽和吸收峰識別、頻率鎖定及狀態監測過程簡單，輸出功率大，系統小型，操作簡單，能夠作為絕對重力儀的激光干涉儀的光源。NIM 碘穩頻He－Ne激光器與Winters Model 100 碘穩頻He－Ne激光器的主要參數如表1所示。

根據表1 中兩臺激光器的主要參數可以看出，NIM 碘穩頻He－Ne激光器的激光頭尺寸比Winters的碘穩頻He－Ne激光器略小，這樣就可以在不更改FG5激光干涉系統框架的情況下，僅增加一個小的固定架就可以將NIM 碘穩頻He－Ne激光器安裝在FG5激光干涉系統框架上，整個替換過程十分簡便。同時NIM 激光器的激光頭和電路的質量都比Winters激光器的要輕，能夠在一定程度上減輕野外運輸的負荷。而兩臺激光器的主要不同點——激光器的輸出功率等，則可以通過調節光路順利解決。

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

2 替換激光器的對比觀測實驗

替換激光器的對比觀測實驗利用的是中國科學院測量與地球物理研究所于1995年引進的FG5－112絕對重力儀，該絕對重力儀使用的是Winters Model 100＃128碘穩頻He－Ne激光器。實驗在中科院測量與地球物理研究所一樓一觀測基墩上完成，該測點距馬路較近，因此環境噪聲較大。整個替換實驗僅更換激光器部分，其余裝置及數據處理系統均使用FG5原始的系統。

2.1 FG5－112正常觀測實驗

FG5－112使用Winters Model 100＃128 碘穩頻He－Ne激光器，將頻率鎖定在e峰上，50個落體為1組，測量4組。

圖1 是測量的4 組數據中的一組數據。FG5－112在使用Winters Model 100＃128 碘穩頻He－Ne激光器時，其單組落體的誤差分布在±100μGal以內。

圖1 FG5正常觀測時單組落體分布示例Fig.1 FG5drops in one set of normal observation

FG5－112 使用Winters Model 100 碘穩頻He－Ne激光器正常觀測時的4組測量結果如表2所示。

表2 FG5－112使用Winters激光器正常觀測結果Tab.2 Test result of FG5－112with Winters laser

2.2 替換NIM 碘穩頻He－Ne激光器觀測實驗

將Winters Model 100碘穩頻激光器更換為NIM 碘穩頻He－Ne激光器，如圖2 所示。Winters Model 100碘穩頻激光器與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需要連接到FG5控制器上，用來判斷激光器鎖定在哪個峰上。更換NIM 碘穩頻He－Ne激光器后，為了完全模擬Winters Model 100激光器，利用信號發生器產生相應的電壓信號連接到FG5的控制器上，并使NIM 碘穩頻He－Ne激光器也工作在e峰上。

圖2 FG5更換NIM 碘穩頻He－Ne激光器組裝實物圖Fig.2 FG5with NIM iodine－stabilized He－Ne laser

根據表1，兩臺激光器主要參數的不同點為激光器的輸出功率。由于NIM 碘穩頻He－Ne激光器的激光強度遠大于Winters Model 100激光器，因此在未對光路進行調節時，NIM 碘穩頻He－Ne激光器光強太強使得光電接收器輸出的正弦波出現了飽和被斬波的情況。通過調整光路使光電接收器接收的光強減弱。表3中條紋優化一欄中的電壓表示光電接收器輸出的正弦波信號的峰值大小，該電壓大小就表征了光電接收器接收光強的大小。

與FG5 正常觀測時的配置相同，仍然是50個落體為1組，每次實驗3組，在光電接收器輸出為288mV 和210mV 時分別進行兩次實驗。

圖3是測量的6組數據中的一組數據。從中可以看到，FG5－112替換8＃ NIM 碘穩頻He－Ne激光器時，其單組落體的誤差分布仍然在±100 μGal以內。

FG5－112使用8＃ NIM 碘穩頻He－Ne激光器觀測的6組測量結果如表3所示。

圖3 FG5－112替換8＃ NIM 碘穩頻激光器的測試結果Fig.3 Test result of FG5－112with 8＃ NIM iodine－stabilized laser

表3 FG5－112替換8＃ NIM 碘穩頻激光器的測試結果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，但是并沒有達到飽和狀態；而210 mV表示進一步減弱光強的一個例子，進行多次不同光強的測試，當光電接收器輸出的正弦波兩端均不飽和時，光電接收器處光強的大小對測試結果基本無影響。

2.3 觀測結果對比

通過對比表2 和表3 的觀測結果，使用8＃NIM 碘穩頻He－Ne激光器時，無論是單組落體的誤差分布，還是觀測的重復性，都與FG5－112使用Winters Model 100＃128 激光器正常觀測時相同。為了進一步驗證替換NIM 碘穩頻He－Ne激光器后觀測的穩定性，進行了1d內多次測試，還進行了多天的測試，結果都與FG5－112 使用Winters激光器進行觀測時的情況相同。

由于FG5絕對重力儀系統僅僅更換了激光器，并針對不同激光器對光路進行相應的微調［6－9］，可以認為，NIM碘穩頻He－Ne激光器的性能水平和Winters Model 100碘穩頻He－Ne激光器的性能水平對FG5系統的影響相當，在FG5系統中完全可以使用NIM 碘穩頻He－Ne激光器進行替換。

3 結 語

本文通過將NIM 穩頻He－Ne激光器替換FG5上使用的Winters Model 100碘穩頻He－Ne激光器進行對比觀測實驗。結果表明，NIM 碘穩頻He－Ne激光器能使FG5 正常工作，完全能夠替代Winters Model 100碘穩頻He－Ne激光器，為國內FG5用戶提供了一種激光器的新選擇。

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