Abstract
摘 要 近年來雷射物理與應用長足的進展促成了雷射太空力學的興起。在雷射太空計畫太空任務概念研究方面，必須對由遠端太空船上傳回的雷射光進行訊號的量測與處理。雷射光經過長距離的傳輸後，功率大幅下降，因此在太空任務概念的考量上，弱光鎖相是計畫中關鍵性的技術。由太空船射來的雷射光，經過定天鏡、凹鏡等聚光後與本地雷射進行鎖相，由本地雷射承載及傳達太空雷射光的相位信息。 具體而言，弱光鎖相就是建立一個光學鎖相迴路控制一台強光雷射去追蹤另一台弱光雷射的相位變化，使得強光雷射具有與弱光雷射完全相同的相位與頻率變化，藉以將弱光訊號放大呈現，並可進行訊號的測量與分析。故弱光鎖相實際上也就是一種光訊號放大器。 在實驗上，我們使用兩支半導體雷射幫浦非平面環形共振腔釔鎦石雷射（Diode laser pumped non-planar ring cavity Nd: YAG laser），分別代表遠端的弱光及代表本地的強光，建立了弱光鎖相迴路系統（weak-light phase-locked loop system）。實驗時以中性光強度濾鏡(ND-filter; neutral density filter)阻隔以減弱光訊號來模擬遠端雷射傳來的弱光。在相位偵測部分使用均衡偵測法，消除雷射強度雜訊，以提高訊噪比。同時配合適當的迴路濾波器，控制雷射頻率，提高鎖相的能力。在對2 nW的弱光與2 mW的強光鎖相後，其均方根相位誤差為57 mrad，可長時間鎖相。在200 pW的弱光與200 μW的強光鎖相後其相位誤差為200 mrad，鎖相時間可達兩小時以上。在20 pW的弱光與200 μW的強光鎖相後其相位誤差為160 mrad，鎖相時間亦可達兩小時以上。 最後，我們對2 pW的弱光與200 μW的強光鎖相，鎖向後的相位誤差為290 mrad，鎖相時間可維持一分半鐘。