基于飞秒激光器光学频率梳的绝对距离测量

提出使用飞秒激光器的光学频率梳测量绝对距离的方法.将一个飞秒激光器作为绝对距离测量的光源,搭建迈克尔逊干涉结构,利用色散干涉原理进行相应的光谱分析,得到干涉光路的光学路径差引起的相位差,最终计算出干涉光路的光学路径差.实验结果表明我们的长度测量方法精确度高,分辨力达到纳米量级.最小测量距离达到9 μm,非模糊范围达到5...     

An Optical Frequency Comb Tied to GPS for Laser Frequency/Wavelength Calibration

Optical frequency combs can be employed over a broad spectral range to calibrate laser frequency or vacuum wavelength. This article describes procedures and techniques utilized in the Precision Engineering Division of NIST (National Institute of Standards and Technology) for comb-based calibration of laser wavelength, including a discussion of ancillary measurements such as determining the mode order. The underlying purpose of these calibrations is to provide traceable standards in support of length measurement. The relative uncertainty needed to fulfill this goal is typically 10⁻⁸ and never below 10⁻¹², very modest requirements compared to the capabilities of comb-based frequency metrology. In this accuracy range the Global Positioning System (GPS) serves as an excellent frequency reference that can provide the traceable underpinning of the measurement. This article describes techniques that can be used to completely characterize measurement errors in a GPS-based comb system and thus achieve full confidence in measurement results.     

用差频腔产生覆盖633nm光谱的飞秒激光频率梳

飞秒激光频率梳被认为是连接光频和无线电频率的一个超精密齿轮,比较了自参考法锁相稳频飞秒激光频率梳和差频法单块结构飞秒激光频率梳的特点,前者光谱范围宽,但稳定性较差;后者稳定性较好,但光谱范围较窄。在差频腔单块结构飞秒激光频率梳的基础上,通过使用腔外压缩色散补偿方式压缩激光脉冲宽度,然后重新注入光子晶体光纤进行光谱扩展,获得了覆盖633nm波长的更宽的光谱范围,为633nm波长激光频率测量创造了条件。     

钙离子光频标钟跃迁绝对频率测量

回顾了中国科学院精密测量科学与技术创新研究院对钙离子光频标钟跃迁绝对频率的测量工作，并对测量结果被国际计量委员会（CIPM）下属的时间频率咨询委员会（CCTF）采纳的情况进行了总结和描述。在2011～2020年间，利用实验室型光频标和可搬运光钟，采用基于飞秒光梳和卫星链路的方案溯源到国际秒定义，及基于飞秒光梳直接溯源到中国计量科学研究院铯喷泉微波钟的方案，多次测量了钙离子光频标钟跃迁绝对频率，测量不确定度从10^-15量级逐步提高到10^-16量级，共计4个测量结果被CCTF采纳。参与钙离子光频标钟跃迁频率国际推荐值的计算，分别于2012年、2015年、2017年和2021年先后四次更新了钙离子光频标钟跃迁频率推荐值。钙离子光频标钟跃迁于2021年被推荐为新增的“秒的次级表示”。     

飞秒激光频率梳测量光频用拍频装置的实验研究

飞秒激光频率梳测量光频实验中会遇到拍频信号信噪比低、高信噪比拍频信号维持时间短的问题。本文针对该问题在光路的准直、稳定维持方面采取了相应的光学、机械结构优化以及对拍频信号采取了先滤波后放大的措施;设计了一种拍频装置,并利用该装置进行了碘稳频633 nm激光器e峰频率的绝对测量实验。     

基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法研究

报道了一种基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法,用于提高可调谐外腔半导体激光器(TECDL)的频率稳定度和准确度。自行研制的光学锁相环电路采用数字鉴相与差分运算相结合的方式获得高灵敏度的鉴频鉴相误差信号,并通过高速模拟PID实现整个系统的闭环锁定。利用该光学锁相环系统进行了TECDL偏频锁定至光学频率梳(OFC)的实验,实验结果表明环路锁定后拍频频率波动在±0.3Hz范围内,偏置频率为50MHz时,光学锁相环系统在1s和1000s积分时间的相对阿伦方差分别为1.5×10^-9和8.5×10^-13。系统锁定后,拍频线宽由500kHz压缩至2kHz。该研究表明采用基于光学锁相环的激光稳频方法可以实现亚Hz级的激光频差控制,通过将TECDL偏频锁定至高稳定度的参考激光源可显著提高其频率稳定度,使其能够满足超精密测量、冷原子/离子干涉测量等领域对激光频率稳定度和准确度的要求。     

1.5μm光纤通信波段乙炔稳频激光技术研究进展

1.5μm乙炔饱和吸收谱线是国际计量委员会(CIPM)正式推荐的光纤通信波段复现‘米’定义的频率参考标准。乙炔稳频激光依据稳频方法可分为线性吸收和饱和吸收两大类,饱和吸收相比线性吸收,能够消除乙炔分子的多普勒效应,获得线宽更窄、频率稳定度和复现性更高的稳频激光,1s频率稳定度能够达到10^-13量级,波长漂移为10^-12量级。利用13C2H2(ν1+ν3)P(16)谱线,研发的微型气室有望实现稳频激光的全光纤链路传播,为高度集成化、抗干扰能力强的稳频激光源提供了新的发展方向。高性能的1.5μm近红外稳频激光直接为密集波分复用系统、精密光纤传感等多个领域提供波长参考源,结合飞秒激光频率梳技术可进一步完善光纤通信中激光波长量值传递溯源体系,提升激近红外波段光波长的测量能力,为光纤波段的精密测量提供量值保障。     

Nd:YVO_4/KTP激光碘分子超精细光谱和稳频研究

用Nd :YVO4/KTP腔内倍频环形激光器产生的 5 32nm波长激光 ,探测到了波长在 5 32 .170nm至 5 32 .2 0 0nm范围的一系列碘的多普勒吸收谱线和饱和吸收谱线。理论计算出相应的波长值和超精细谱线结构参数。理论计算值与实验测量数据在较高的精度内相一致。用三次谐波锁定的稳频电路实现了该激光器在碘饱和吸收线超精细分量上的频率稳定。     

拉线传感器变角度工作条件下的校准

为了解决静强度变形测量试验中,拉线传感器两维角度偏转引入的测量问题,采用转台提供标准偏转角度、拉线传感器正交安装测试的方法,突破了变角度工作条件下的拉线传感器校准技术,提出了基于正交安装的灵敏度系数校准方法,构建了校准装置,并通过两个正交方向的灵敏度系数合成,提出了拉线传感器正交误差模型的建立方法,最终为拉线传感器变角度工作条件下的现场误差测算提供了方案,实现了静强度试验中变形量测量的快速评定。拉线传感器校准方法的探索,对其在测试领域的应用起到了促进作用。     

NIM的微波－光学频率基准研究 ———复现米和秒定义

报道中国计量科学研究院（NIM）在微波－光学频率计量研究的新进展：用NIM４激光冷却－铯原子 喷泉钟复现国际单位制（SI）时间单位秒（s）,用飞秒（FS）光学频率梳间接复现长度单位米（m）并标定稳频 激光波长实际实施米定义。NIM４铯原子喷泉钟的不确定度达到５×１０－１５,飞秒（FS）光梳锁定到NIM４钟控制的 氢钟后,其频率不确定度为２畅２×１０－１４。在此基础上讨论铯原子喷泉钟、稳频激光、FS光梳的作用、意义和相互 关系。最后简要介绍NIM５铯原子喷泉钟的研究进展和２００６年起NIM立题研制锶原子存储     

一种基于梳状滤波器的固体腔厚度测量方法

针对密集波分复用(DWDM)技术中所使用的梳状滤波器,对固体腔研磨厚度指标要求极高△v=200 GHz,△d≤13.37 nm,本文提出运用法布里-珀罗干涉理论(Fabry-Perot),研究设计了一种针对固体腔厚度的现场检测方法.该方法根据被测元件等效为系统干涉腔的间接测量方法,以通过被测元件后的法珀相邻能量极值特性,作为检测厚度合格的判定依据,实现了对超窄带梳状滤波器组成元件--未镀膜层固体腔(SiO_2)的高精度厚度检测.实验结果表明,该测量方法适用于对透光介质的厚度检测.     

He-Ne激光光阱及对微粒子的操纵北京市自然

分析了He-Ne激光光阱对微粒子的作用.在所建立的He-Ne激光微束的实验装置上用光阱捕获了酵母细胞和空心电介小球,实验验证了光阱的力学效应.实验表明该光阱能实现对微粒子的捕捉、旋转和翻转,能同时捕获多个粒子.从理论和实验上研究了He-Ne激光光阱作用于微粒子的力学效应.     

双纵模稳频He-Ne激光器工作机理及误差分析

为深入分析双纵模稳频氦氖激光器的稳频机理和精度误差,本文提出了双纵模产生的必要条件:内腔型激光器和谐振腔长在100～300 mm之间.按照激光器的工作过程,稳频分为三个阶段:跳模、过渡阶段,模式稳定.结合激光原理和热力学理论,根据光电探测器的电压变化,阐述了稳频机理.拍频实验结果表明,激光器的频率稳定度高达5×10-10.通过误差分析,确定稳频精度仅取决于腔长的变化量,且增加腔长,有助于增加频率稳定度.该方法锁定时间短.     

一种基于光拍频的连续激光调制光谱测量方法

针对F-P干涉仪分析连续激光调制光谱的局限性,本文提出了一种基于光拍频的连续激光调制光谱的测量方法,该方法可实现调制频率低达千赫兹的连续激光调制光谱的测量.本方法以光电转换理论为基础,利用频谱分析仪测得参考光与连续调制光谱的拍频信号,然后通过相应的数学计算得到连续调制光谱的各个光频的相对电场强度,从而实现连续调制光谱的分析.本文在理论建模与分析的基础上,利用该方法对半导体激光器出射激光经电光调制器调制产生的调制光谱进行了测量,测量结果与F-P干涉仪测量结果一致,验证了该方法的可行性.     

Investigation of Errors in Estimates of the Frequency of Signals of Laser Doppler Anemometers Using Wavelet Analysis

A method of processing the signals of laser Doppler anemometers using wavelet transformation is considered. The errors of Doppler frequency estimation obtained from an analysis of the wavelet spectrum of the signal are calculated and the influence of a number of parameters on these errors is investigated. Recommendations for performing measurements are given.     

激光位移传感器实时测量超声波振幅和频率的试验研究

超声波振动技术已经广泛应用于各类生产加工行业.但是,目前为止有关超声波振动实时监测方面的研究鲜有报道.本文提出了一种可行的实验方法对超声振动进行实时监测.超声波的振动由超声波发生器及其传递装置产生;通过使用世界领先的超高速、高精度电容耦合装置激光位移传感器对超声波振动进行实时跟踪和测量;所测振动数据由计算机存储并且开发了一系列Matlab程序进而从原始数据中滤除噪声对超声波振动数据的干扰.结果显示:通过这一实验方法能够对超声波振动频率和周期进行精确评估,尤其是能够对超声波振幅进行精确测量,其测量精度可达到±0.1μm.超声波功率对超声波振幅的影响也可以通过这一实验方法显著呈现.     

全固态飞秒光学频率梳研究进展及展望

自1999年至今,光学频率梳（Optical Frequency Comb,OFC）经历了二十多年的快速发展。基于飞秒激光的光学频率梳在频率计量学、超快光谱学、光学频率标准、阿秒脉冲的产生、多脉冲时域合成等众多前沿研究领域中发挥了不可替代的作用。特别是继飞秒钛宝石激光频率梳、飞秒光纤激光频率梳之后,基于二极管激光直接泵浦的全固态飞秒激光频率梳由于兼具钛宝石激光噪声低、重复频率高,光纤激光结构紧凑、电光效率高的共同优势,引起了许多研究组的兴趣,并取得系列有意义的进展。本文综述了全固态光学频率梳的发展和已取得的典型应用,并结合笔者所在课题组取得的研究成果,对全固态光学频率梳未来的发展方向进行展望,为促进全固态飞秒锁模振荡器的发展提供借鉴。     

机抖激光陀螺稳频控制技术

激光陀螺的工作中心频率作为激光陀螺的工作计量基准,其频率的稳定性对激光陀螺的测量精度有着直接的影响．稳定激光陀螺工作中心频率最为有效的方法就是采用主动腔长补偿控制．在对腔长控制原理和方法介绍的基础上,提出了将激光陀螺输出光强信号进行交直流分量分离独立控制的方法,并给出了系统的硬件设计框图,最后介绍了软件设计流程．测试结果表明漂移均方差在0．4°·h-1以内,满足系统的使用要求．