我国锶原子光钟关键技术研究获进展

由中国计量科学研究院等单位共同承担的“高准确度原子光学频率标准仪的研制与开发”课题,顺利通过了国家质检总局组织的专家验收。该课题建立了锶原子塞曼减速器和激光冷却囚禁装置,研制了宽带钛宝石飞秒光梳和铒光纤光梳,完善了多个次级光学频率标准,     

中国计量测试学会科学技术进步奖获奖项目简介

<正>一等奖基础进步奖掺Er光纤飞秒光学频率梳的研究与应用近年来,作为新一代飞秒光梳技术的掺Er光纤飞秒光学频率梳,已成为飞秒光梳技术发展的主流方向并逐步突破时间频率领域,成为许多高端研究领域的基础性科学仪器。中国计量科学研究院首次在国内研制成功了基于掺Er光纤飞秒激光器的光学频率梳,具有填补了国内掺Er光纤光梳的技术空白,满足了国家波长基     

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。     

633nm波长副基准光频绝对测量实验

为了进行光频的绝对测量实验研究,本课题组研制了基于MgO:PPLN晶体的"单块"结构飞秒激光频率梳,在利用稳频电路将重复频率frep和载波包络相移频率fceo同时锁定到氢原子钟上后,其光频齿的频率稳定度同步于氢原子钟。利用该高稳定度"单块"结构钛宝石飞秒激光频率梳对编号为NO.02的633nm激光波长国家副基准装置进行了激光频率的绝对测量实验,得到了5个峰的测量结果,各光频测量结果相对偏差为10-11量级。     

基于飞秒光学频率梳的双通道光频测量设计

基于差频技术的单块飞秒光学频率梳被广泛应用于光频的精密测量领域.通过将飞秒激光的重复频率和载波包络相移同时锁定至原子钟上,可以将飞秒光学频率梳的稳定状态延长至9h.文中提出了一种基于飞秒光学频率梳的双通道光频测量设计,并且针对两种待测光频的不同情况,给出了不同的测量方法.这种设计对将来实现高效率的光频测量具有重要意义.     

GHz重复频率飞秒激光器发展趋势

随着飞秒光梳光谱、飞秒测距等飞秒激光器相关应用领域的发展,对于更高重复频率的飞秒激光器也产生了越来越迫切的需求。本文叙述了固体激光器和光纤激光器在产生GHz重复频率的飞秒脉冲输出上所使用的主要技术和技术进展,总结了GHz激光器的最新发展趋势。为之后进行GHz重复频率飞秒激光器研究的相关人员提供了一定的参考。     

"飞秒激光光学频率梳的研究"通过专家鉴定

计本刊讯(记者马靖通讯员卢敬叁)9月12日,由中国计量科学研究院承担的“飞秒激光光学频率梳的研究”顺利通过鉴定委员会专家的鉴定。该研究成果成功将我国633nm氦氖国家激光波长基准的频率直接溯源到国家铯原子时间频率基准,从根本上解决了我国激光波长基准必须通过国际比对才能实现量值溯源的问题。“飞秒激光光学频率梳的研究”是通过飞秒光梳技术使微波频率与光学频率得到链接,实现了激光频率的直接绝对测量,这项技术被科学界视为光频测量领域的突破性成就。“飞秒光梳”技术是世界科技前沿项目,也是计量学研究的重要课题之一。2001年,中…     

光频测量用飞秒激光频率梳光谱扩展实验研究

在光频的绝对测量研究中,本研究小组研制了光谱范围为650~950 nm波段、重复频率为350 MHz的"单块"结构钛宝石飞秒激光频率梳。为了实现其对633 nm波长国家副基准频率的绝对测量,本实验分别采用棱镜对和啁啾镜对进行脉宽压缩,然后注入光子晶体光纤进行光谱扩展。实验发现两者均可扩展出短波长方向的光谱,但棱镜对扩谱结构由于具有较长的"光程臂长"容易受到扰动而造成光纤耦合的不稳定,最终表现为光谱中各波长成分的光强不稳定而无法用于光频测量。啁啾镜对结构紧凑、稳定性强,经过脉宽压缩及光子晶体光纤扩谱,最终获得了光谱覆盖600~950 nm波段、各波长成分强度稳定、各光频齿频率稳定度同步于氢原子钟的可用于光频测量的飞秒激光频率梳     

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     

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2.2×10-14.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光钟.     

单腔双光梳激光器及其应用研究

双光梳技术凭借其超高的频率分辨力与检测精度成为当今科研领域探索的重点。本文分别介绍了利用电光调制、微谐振腔、相位锁定两台独立的锁模激光器、单腔双光梳激光器产生双光梳的方法,重点阐述了基于单腔双波长激光器的双光梳产生方法集成度高、结构较简单、成本低的优势;之后详细介绍了目前单腔双光梳激光器中,双波长腔内运转的脉冲波形复用法、空间复用法、方向复用法、波长复用法和偏振复用法的工作原理及最前沿的研究进展;最后,具体分析了单腔双光梳在光谱学、测距、光纤传感等领域的应用情况,并展望未来单腔双光梳的研究与发展方向,为推动单腔双光梳技术性能的进一步提升和广泛应用提供借鉴。     

Optical frequency measurements with the global positioning system: tests with an iodine-stabilized He-Ne laser

Global positioning system- (GPS-) referenced optical frequency combs based on mode-locked lasers offer calibrations for length metrology traceable to international length standards through the SI second and the speed of light. The absolute frequency of an iodine-stabilized He-Ne laser [127I2 R(127) 11-5 f component] was measured with a femtosecond comb referenced to a multichannel GPS timing receiver. The expected performance and limitations of GPS-referenced comb measurements are discussed.     

Advanced noise reduction techniques for ultra-low phase noise optical-to-microwave division with femtosecond fiber combs

We report what we believe to be the lowest phase noise optical-to-microwave frequency division using fiber-based femtosecond optical frequency combs: a residual phase noise of -120 dBc/Hz at 1 Hz offset from an 11.55 GHz carrier frequency. Furthermore, we report a detailed investigation into the fundamental noise sources which affect the division process itself. Two frequency combs with quasi-identical configurations are referenced to a common ultrastable cavity laser source. To identify each of the limiting effects, we implement an ultra-low noise carrier-suppression measurement system, which avoids the detection and amplification noise of more conventional techniques. This technique suppresses these unwanted sources of noise to very low levels. In the Fourier frequency range of ～200 Hz to 100 kHz, a feed-forward technique based on a voltage-controlled phase shifter delivers a further noise reduction of 10 dB. For lower Fourier frequencies, optical power stabilization is implemented to reduce the relative intensity noise which causes unwanted phase noise through power-to-phase conversion in the detector. We implement and compare two possible control schemes based on an acousto-optical modulator and comb pump current. We also present wideband measurements of the relative intensity noise of the fiber comb.     

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...     

宽带可调谐光源瞬时波长测量方法研究

激光波长作为“米”基准的重要实现途径之一，其量值准确性在计量校准、精密测量以及光谱探测等领域具有十分重要的意义。目前基于标准物质吸收谱线的波长基准仅能用于单一波长的计量校准，对于宽带光源波长校准手段有限。本文开展宽带连续调谐激光波长校准技术研究，利用飞秒激光频率梳宽光谱、光频可溯源至原子频率标准、稳定性高的特点，对宽带调谐光源在调谐输出时的连续光波长进行测量，最终实现了1 nm带宽下可调谐激光器调谐输出过程中瞬时值的测量，并利用该结果对可调谐激光器在121 GHz带宽的调频非线性度进行了评价。     

超稳腔零膨胀温度点的精细测量方法研究综述

利用超低热膨胀系数的Ultra-Low-Expansion（ULE）材料加工成超稳腔，并将其温度控制在零膨胀系数的温度点是获得低频率漂移速率的关键。超稳腔零膨胀温度点的测量在超稳激光研究领域中起到关键作用，零膨胀温度点下的低漂移速率超稳激光对能级跃迁谱线的精密测量有着重要意义。本文阐述了基于超稳腔的Pound-Drever-Hall（PDH）激光稳频基本原理，介绍了超稳激光重要性能指标的测量方式，详细介绍了参考腔拍频法、光梳测量法、光钟测量法三种超稳腔的零膨胀温度点测量方法，具体分析了它们的使用条件和工作原理，并进行了实验验证。最后对零膨胀温度点精细测量方法的未来发展方向进行了总结与展望，为促进超稳激光技术的进一步发展提供借鉴。     

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。     

Review of low timing jitter mode-locked fiber lasers and applications in dual-comb absolute distance measurement

Passively mode-locked fiber lasers emit femtosecond pulse trains with excellent short-term stability. The quantum-limited timing jitter of a free running femtosecond erbium-doped fiber laser working at room temperature is considerably below one femtosecond at high Fourier frequency. The ultrashort pulse train with ultralow timing jitter enables absolute time-of-flight measurements based on a dual-comb implementation, which is typically composed of a pair of optical frequency combs generated by femtosecond lasers. Dead-zone-free absolute distance measurement with sub-micrometer precision and kHz update rate has been routinely achieved with a dual-comb configuration, which is promising for a number of precision manufacturing applications, from large step-structure measurements prevalent in microelectronic profilometry to three coordinate measurements in large-scale aerospace manufacturing and shipbuilding. In this paper, we first review the sub-femtosecond precision timing jitter characterization methods and approaches for ultralow timing jitter mode-locked fiber laser design. Then, we provide an overview of the state-of-the-art dual-comb absolute ranging technology in terms of working principles, experimental implementations, and measurement precisions. Finally, we discuss the impact of quantum-limited timing jitter on the dual-comb ranging precision at a high update rate. The route to highprecision dual-comb range finder design based on ultralow jitter femtosecond fiber lasers is proposed.     

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。