NIM 稳频激光器在FG5－112绝对重力仪上的测试分析

田 蔚 张为民 钱 进 叶文蔚 胡 明 钟 敏

1 中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉市徐东大街340号，430077

2 中国计量科学研究院，北京市北三环东路18号，100029

地球重力场是近地空间最基本的物理场之一，反映了地球物质分布及其随时间和空间的变化。绝对重力仪［1，2］在国家经济、社会发展以及国家安全中具有极为重要的应用。在资源勘探领域，通过高精度测量重力场，可以反演获取地球资源分布的重要信息，对于我国能源、矿产资源勘探具有极为重要的战略价值。在国防领域，绝对重力仪可应用于导弹无依托发射及弹道计算，对提高中远程导弹命中精度具有重要作用，对于国家安全的意义十分重大。同时，绝对重力仪还可以应用于检验等效原理和Watt天平方案质量标准［3］等物理科学实验。美国Micro－gLaCoste公司的FG5绝对重力仪是目前广泛使用的绝对重力仪产品，其测量不确定度达到μGal量级。

FG5绝对重力仪使用的稳频激光器为Winters Electro－Optics公司的100 型碘稳频He－Ne激光器，该激光器能够提供633nm 的激光，并提供1×10－11（1s）的频率稳定度。中国科学院测量与地球物理研究所在国内最先引进并使用美国FG5绝对重力仪［4］，熟悉该仪器的基本结构和性能。在过去的20a时间里，平均2～3a就会遇到激光器故障，每次都需要将激光器返回美国维修，通常需要1～2月的维修和运输时间，并且进出口的手续十分繁杂。

本文介绍利用中国计量科学研究院（NIM）研制的碘稳频He－Ne激光器替换FG5中使用的Winters Model 100碘稳频He－Ne激光器的实验情况和实验结果。

1 NIM 激光器简介

中国计量科学研究院量子部激光波长实验室研制的碘稳频He－Ne激光器是一种波长为633 nm 的实用型碘稳定激光系统［5］。这种激光系统以127I2分子的非饱和蒸汽压的饱和吸收谱线作为稳定激光的频率参考标准。激光器部分由半内腔结构的He－Ne 激光增益管、石英玻璃间隔器、127I2分子吸收室、带压电陶瓷的谐振腔镜及其相应的调节机构组成。激光器腔长26cm，单纵模工作范围500 MHz左右。吸收室经过特殊工艺处理，内为非饱和蒸汽压的127I2分子，其饱和吸收峰对应的频率对环境温度的变化不敏感，因此系统中省略了吸收室温度的控制环节。在633nm波长附近，共有可作为频率参考标准的127I2分子的饱和吸收峰21个，该系统能覆盖其中a～n共14个。其频率相对标准不确定度为6.3×10－11，1 000s的频率稳定度优于2.5×10－12。系统的饱和吸收峰识别、频率锁定及状态监测过程简单，输出功率大，系统小型，操作简单，能够作为绝对重力仪的激光干涉仪的光源。NIM 碘稳频He－Ne激光器与Winters Model 100 碘稳频He－Ne激光器的主要参数如表1所示。

根据表1 中两台激光器的主要参数可以看出，NIM 碘稳频He－Ne激光器的激光头尺寸比Winters的碘稳频He－Ne激光器略小，这样就可以在不更改FG5激光干涉系统框架的情况下，仅增加一个小的固定架就可以将NIM 碘稳频He－Ne激光器安装在FG5激光干涉系统框架上，整个替换过程十分简便。同时NIM 激光器的激光头和电路的质量都比Winters激光器的要轻，能够在一定程度上减轻野外运输的负荷。而两台激光器的主要不同点——激光器的输出功率等，则可以通过调节光路顺利解决。

表1 激光器主要参数Tab.1 Laser key specifications

2 替换激光器的对比观测实验

替换激光器的对比观测实验利用的是中国科学院测量与地球物理研究所于1995年引进的FG5－112绝对重力仪，该绝对重力仪使用的是Winters Model 100＃128碘稳频He－Ne激光器。实验在中科院测量与地球物理研究所一楼一观测基墩上完成，该测点距马路较近，因此环境噪声较大。整个替换实验仅更换激光器部分，其余装置及数据处理系统均使用FG5原始的系统。

2.1 FG5－112正常观测实验

FG5－112使用Winters Model 100＃128 碘稳频He－Ne激光器，将频率锁定在e峰上，50个落体为1组，测量4组。

图1 是测量的4 组数据中的一组数据。FG5－112在使用Winters Model 100＃128 碘稳频He－Ne激光器时，其单组落体的误差分布在±100μGal以内。

图1 FG5正常观测时单组落体分布示例Fig.1 FG5drops in one set of normal observation

FG5－112 使用Winters Model 100 碘稳频He－Ne激光器正常观测时的4组测量结果如表2所示。

表2 FG5－112使用Winters激光器正常观测结果Tab.2 Test result of FG5－112with Winters laser

2.2 替换NIM 碘稳频He－Ne激光器观测实验

将Winters Model 100碘稳频激光器更换为NIM 碘稳频He－Ne激光器，如图2 所示。Winters Model 100碘稳频激光器与FG5的控制箱仅由唯一的接口连接，即激光器尾部的激光锁定后的电压信号需要连接到FG5控制器上，用来判断激光器锁定在哪个峰上。更换NIM 碘稳频He－Ne激光器后，为了完全模拟Winters Model 100激光器，利用信号发生器产生相应的电压信号连接到FG5的控制器上，并使NIM 碘稳频He－Ne激光器也工作在e峰上。

图2 FG5更换NIM 碘稳频He－Ne激光器组装实物图Fig.2 FG5with NIM iodine－stabilized He－Ne laser

根据表1，两台激光器主要参数的不同点为激光器的输出功率。由于NIM 碘稳频He－Ne激光器的激光强度远大于Winters Model 100激光器，因此在未对光路进行调节时，NIM 碘稳频He－Ne激光器光强太强使得光电接收器输出的正弦波出现了饱和被斩波的情况。通过调整光路使光电接收器接收的光强减弱。表3中条纹优化一栏中的电压表示光电接收器输出的正弦波信号的峰值大小，该电压大小就表征了光电接收器接收光强的大小。

与FG5 正常观测时的配置相同，仍然是50个落体为1组，每次实验3组，在光电接收器输出为288mV 和210mV 时分别进行两次实验。

图3是测量的6组数据中的一组数据。从中可以看到，FG5－112替换8＃ NIM 碘稳频He－Ne激光器时，其单组落体的误差分布仍然在±100 μGal以内。

FG5－112使用8＃ NIM 碘稳频He－Ne激光器观测的6组测量结果如表3所示。

图3 FG5－112替换8＃ NIM 碘稳频激光器的测试结果Fig.3 Test result of FG5－112with 8＃ NIM iodine－stabilized laser

表3 FG5－112替换8＃ NIM 碘稳频激光器的测试结果Tab.3 Test results of FG5－112with 8＃ NIM iodine－stabilized laser

表3中的288 mV 为接近饱和状态，但是并没有达到饱和状态；而210 mV表示进一步减弱光强的一个例子，进行多次不同光强的测试，当光电接收器输出的正弦波两端均不饱和时，光电接收器处光强的大小对测试结果基本无影响。

2.3 观测结果对比

通过对比表2 和表3 的观测结果，使用8＃NIM 碘稳频He－Ne激光器时，无论是单组落体的误差分布，还是观测的重复性，都与FG5－112使用Winters Model 100＃128 激光器正常观测时相同。为了进一步验证替换NIM 碘稳频He－Ne激光器后观测的稳定性，进行了1d内多次测试，还进行了多天的测试，结果都与FG5－112 使用Winters激光器进行观测时的情况相同。

由于FG5绝对重力仪系统仅仅更换了激光器，并针对不同激光器对光路进行相应的微调［6－9］，可以认为，NIM碘稳频He－Ne激光器的性能水平和Winters Model 100碘稳频He－Ne激光器的性能水平对FG5系统的影响相当，在FG5系统中完全可以使用NIM 碘稳频He－Ne激光器进行替换。

3 结 语

本文通过将NIM 稳频He－Ne激光器替换FG5上使用的Winters Model 100碘稳频He－Ne激光器进行对比观测实验。结果表明，NIM 碘稳频He－Ne激光器能使FG5 正常工作，完全能够替代Winters Model 100碘稳频He－Ne激光器，为国内FG5用户提供了一种激光器的新选择。

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