中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

系外宜居行星探测是当前天文学的研究热点之一。视向速度法通过检测恒星光谱的红蓝移幅度与变化规律，判断其周围是否存在行星系统。探测类地宜居行星需达到约 9 cm/s 的极高测量精度，对光谱仪波长定标精度提出了严苛要求。基于法布里珀罗（FP）标准具的定标源结构简洁、短期定标精度优异，有望实现上述精度，但其长期精度受腔体环境漂移影响显著。为改善该类定标源的长期精度，目前主要采用被动稳定与主动稳定两种技术路径。其中主动稳定技术通过实时探测漂移量，反馈进行腔长调节、温度调控等物理补偿或数值补偿以抵消漂移影响。由于数值补偿无需额外加装主动控制装置，可与被动稳定技术兼容，兼顾两者优势，所以是提升系统长期精度的适宜方案。为了实现漂移量精准测量，需要在完整扫描 FP 标准具模式的基础上，达到兆赫兹（MHz）及以下量级的频率分辨率与精度。本文设计并搭建了一套基于外腔可调谐半导体激光器、反谐振空芯光纤FP腔及铷饱和吸收池的FP标准具高精度跟踪系统。该系统中，创新性地采用反谐振空芯光纤FP腔作为激光频率辅助标定器件，该器件具有能够实现长腔长易制备与低热敏感性的双重优势。
为了确定所需器件参数及环境要求，首先通过仿真分析确定了实现兆赫兹（MHz）量级精度辅助标定所需的FP腔参数及环境控制要求。仿真结果表明，该光纤FP腔的自由光谱范围需控制在150 MHz以内，且其精细度需与系统探测能力相匹配，以确保单峰采样点数量能够精准表征峰值轮廓；在探测环境控制方面，单次扫描过程中的温度波动需控制在10 mK左右。
采用反谐振空芯光纤FP腔作为扫描激光频率辅助标定器件，具体结构为 “单模光纤+渐变折射率光纤—空芯光纤—渐变折射率光纤+单模光纤”的三段式结构。提出了一种新颖的反谐振空芯光纤FP腔制备工艺，即先对裸纤进行研磨处理，再进行玻璃插芯装配。依据该制备工艺，成功制备出长度分别为0.3 m、1 m、2 m的空芯光纤FP腔。
搭建了基于空芯光纤FP腔和外腔可调谐半导体激光器的高精度频率跟踪系统。采用不同长度的光纤FP腔对于扫描激光频率进行了标定。实验结果表明，当采用长度为1 m及以上的FP腔时，能较好地拟合出该频率变化特征。利用该系统对一款用于波长定标的固体FP腔进行温度漂移跟踪测试。在温度平稳工况下，系统温度波动的均方根误差可达约2 mK，对应谐振透射峰频率波动约为2 MHz，验证了该系统具有的高频率精度。由于该系统具备高频率分辨率高频率精度的特点，使用该系统完成了对小自由光谱范围（3 GHz）光纤FP腔的表征，充分展现了其在光谱精细表征领域的应用优势。本研究可为提升FP标准具的长期定标精度提供技术支撑，同时有望拓展应用于光子器件频率响应测量等各类需高频率精度的研究领域。