激光抽运铷原子频标实验研究

采用饱和吸收偏振稳频半导体激光器,建立了激光抽运铷频标实验系统. 实现了该系统的闭环锁定. 进行了频率稳定度的初步测试,短期稳定度为1.2×10^-11 τ^-1/2. 对测试结果进行了分析,并提出了相应的改进措施.     

基于光纤的光学频率传递研究

随着光钟研究的发展, 光钟的稳定度和不确定度均达到10^-18量级. 通过光纤可以实现光钟频率信号的高精度传输, 有望用于未来“秒”定义的复现. 演示了百公里级实验室光纤上的光学频率传递. 对于在实验室70 km光纤盘上实现的光频传递, 光纤相位噪声抑制在1-250 Hz傅里叶频率范围内均接近于光纤延时极限, 对应传输稳定度(Allan偏差)为秒级稳定度1.2×10^-15, 10000 s稳定度为1.4×10^-18. 实验室100 km光纤的光频传递秒级稳定度也达到了5×10^-15. 提出了光纤噪声用户端补偿的方案, 可以简化星形传递网络中心站的复杂度. 在25 km光纤上演示了该传递方案, 实现的传输稳定度接近传统前置补偿传递方案.     

利用钟跃迁谱线测量超稳光学参考腔的零温漂点

在87Sr光晶格钟实验系统中,通过将自由运转的698 nm激光频率锁定在由超低膨胀系数的玻璃材料构成的超稳光学参考腔上,从而获得短期频率稳定性较好的超稳窄线宽激光.超稳光学参考腔的腔长稳定性决定了最终激光频率的稳定度.为了降低腔长对温度的敏感性,使激光频率具有更好的稳定度和更小的频率漂移,利用锶原子光晶格钟的钟跃迁谱线,测量了698 nm超稳窄线宽激光系统中超稳光学参考腔的零温漂点.通过对钟跃迁谱线中心频率随温度的变化曲线进行二阶多项式拟合,得到698 nm超稳窄线宽激光系统的零温漂点为30.63℃.利用锶原子光晶格钟的闭环锁定,测得零温漂点处698 nm超稳窄线宽激光系统的线性频率漂移率为0.15 Hz/s,频率不稳定度为1.6×10^–15@3.744 s.     

光纤飞秒光学频率梳的研制及绝对光学频率测量

实验利用商品光纤飞秒激光器,自行构建了一套完整的光学频率梳系统,并获得了约30 dB信噪比的系统频移(f_ceo)信号.实现了光频梳重复频率(f_rep)信号及系统频移(f_ceo)信号的高稳定度锁定,并通过实验验证了光频梳锁定的跟踪精度.基于此稳定光频梳完成了对1064 nm碘稳频Nd:YAG固体激光器的绝对频率测量.实验结果表明,f_rep的跟踪精度在100 s取样时间时优于3.7×10^-14,测量得到的1064 nm激光器绝对频率为:281630111757362 Hz.这一测量结果与国际计量委员会(CIPM)给出的国际推荐值符合到不确定度之内. 关键词： 光纤光频梳 稳频 锁相技术 光学频率计量     

CPT原子频标实验研究

介绍了相干布居囚禁（CPT）原子频标的小型、低功耗物理系统,并应用它开展实现了CPT原子频标的激光锁定、微波锁定方案的实验室研究.通过采用电流负反馈将激光频率锁定在原子对激光的吸收峰上,电压负反馈将微波频率锁定在电磁感应透明共振峰上,用该物理系统实现了闭环锁定的实验室桌面CPT频标实验系统.对该实验系统的频率稳定度测量获得200 s内优于5×10^-11τ^-1/2的结果. 关键词： CPT原子频标 频率稳定度 激光稳频     

基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术研究

中红外精密激光光谱技术在痕量气体检测、基本物理常数测定等领域都有重要应用,然而由于缺乏窄线宽、稳定的中红外光源,很难实现中红外精密光谱测量.本文介绍了一种基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术,分析了光学反馈实现激光到F-P腔锁定的可行性,利用一个高精细度中红外超稳F-P腔作为频率参考,基于光学反馈技术实现了量子级联激光器到该超稳腔的锁定.经过评估得到激光器线宽被压窄到1.1 Hz,压窄激光线宽的同时稳定了激光频率,将激光器的长期漂移控制在20 kHz/12 h.其中,为了获取长时间稳定的光学反馈,基于PDH技术获取了误差信号,用于对反馈相位的实时伺服控制.     

用于可搬运锶光钟二级冷却光源的研制

光钟在时间保持、精密测量、暗物质探测等方面有广泛的应用。可搬运光钟研制是光钟的重要方向，它是不同类型光钟比对以及引力红移测量的重要设备。研制用于冷原子制备的可搬运冷却光源是实现可搬运光钟研制的关键。本文主要介绍了可搬运锶光钟二级冷却光源的研制。首先，通过Pound-Drever-Hall稳频技术将半导体激光器锁定在超稳腔上，实现了用于锶光钟二级冷却的689 nm窄线宽稳频光源，其线宽优于263 Hz，频率秒稳定度优于1.56×10^-14。另外，利用注入锁定技术制备了两台同等性能的光源，分别用作二级冷却阶段的俘获光和匀化光。整个光学系统集成在一个0.56 m²的光学面包板，通过光纤与真空系统耦合，整体可搬运。利用该稳频光源，实验上制备了数目为2×10⁶，温度为5.3μK的二级冷却原子团，这为下一步进行光晶格原子装载和钟跃迁谱探测奠定了基础。     

基于自制超稳定F-P腔压窄632.8nm外腔半导体激光线宽的实验研究

窄线宽激光由于其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,广泛应用于光电检测领域,包括相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级,分布反馈式（DFB）光纤激光器线宽可达kHz量级,DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级,然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。为了进一步压窄各类激光器线宽,需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考,实现了632.8 nm外腔半导体激光器（ECDL）线宽的有效压窄。本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、光路设计、ECDL频率控制以及系统集成。超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔（F-P腔）结构,腔体是膨胀系数约为10-6 K-1的微晶玻璃,腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%）的平面镜和凹面镜。为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响,需要对腔体进行温度控制,本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响,将F-P腔置于真空度为10-5 torr的真空室中;另外为了有效隔振,腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器,其具有压电陶瓷（PZT）和电流调制两个频率控制端,响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall （PDH）锁频技术,18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端,通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号,通过两路反馈控制,实现了近1 MHz的锁定带宽。通过对系统的不断优化,最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级,并且系统运行稳定,连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域,同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。     

基于微波相位补偿的56 km高精度光纤微波频率传递

报道了实验室内56 km光纤微波频率传递的实验研究,在56 km的传递距离上实现了1.8×10^-15/s,4×10^-18/10⁴s的传递稳定度。系统通过环回法比较往返传递的微波信号相位获得链路上的相位扰动量,并实时控制本地发射端的微波发射信号相位实现预补偿。在环回往返传递的不同方向上,系统方案采用不同频率的微波调制信号,这种方法极大避免了光寄生反射效应的影响,同时利用色散补偿光纤改善探测信号相噪等措施,提高了系统的传递稳定度。     

掺Er光纤飞秒激光器中电光晶体对激光器参数的影响

由于受增益介质上能级寿命的影响,掺Er光纤光梳的梳齿线宽一般在百kHz量级.为了实现光梳梳齿线宽的压窄,一种有效的方法是在激光器中增加快速响应的电光晶体,使光纤光梳的伺服锁定带宽提高到百kHz以上,为光纤光梳的快速伺服锁定提供反馈机构.这其中,高品质的飞秒激光器是核心.基于此,本文主要研究了掺Er光纤飞秒激光器中电光晶体对激光器参数的影响.通过计算电光晶体的折射率、色散、相位延迟等参数,分析了电光晶体对激光器参数的影响,并在实验上获得了电光晶体电压对激光器重复频率和载波包络偏移频率的影响,进而通过电光晶体实现了对光纤光梳重复频率和载波包络偏移频率的锁定.通过锁定光纤飞秒激光器与窄线宽激光器的拍频信号,验证了电光晶体的引入使激光器的伺服锁定带宽提高到了236 kHz,为窄线宽飞秒光学频率梳的建立提供了技术基础.     

超稳光生微波源研究进展

随着科技的进步以及精密测量应用技术的不断提高,超稳微波源的稳定度和噪声水平等技术要求不断提高,应用范围愈加广泛,包括高性能频标研究、网络雷达研制、深空导航系统等方面.基于超稳激光和飞秒光梳的超稳光生微波源是目前频率稳定度最高的微波频率源,相对频率稳定度可达10~(16)@1 s量级.该装置也是未来频率标准(光频标)推广应用的基础,无论是时间的产生还是绝大多数的精密测量,都需要将光频标的输出激光变换为超稳的基带频率信号后才能够实现.本文介绍了超稳光生微波源技术的发展、现状和应用需求.以国家授时中心研制的国内首套超稳微波频率源技术为主线,介绍了超稳光生微波源的原理和结构以及各组成部分的技术发展情况:超稳激光方面,着重介绍超稳光学腔研究和研制的进展以及Pound-Drever-Hall锁频技术、剩余幅度调制等噪声抑制技术;飞秒光梳方面,着重介绍目前最常用的掺铒光纤光梳系统的激光锁模、频率控制等技术发展;低噪声光电探测方面,着重介绍宽带光电探测噪声抑制技术和激光幅度噪声引起微波相位噪声的抑制技术.最后对光生超稳微波技术进行了总结和展望.     

利用传输腔技术实现镱原子光钟光晶格场的频率稳定

为了获得高稳定度和高精确度的原子光晶格钟,光晶格场的频率必须得到锁定,线宽必须控制到特定水平用来消除交流斯塔克频移.本文提出利用传输腔技术来实现对镱原子光钟的光晶格场的频率锁定和抑制频率长期漂移的锁定方案.首先,将一个殷钢材料的传输腔锁定在基于调制转移谱技术锁定的780 nm激光场上,再将759 nm的光晶格光场锁定在传输腔上.实验结果表明,光晶格光场的线宽可以锁定和控制在1 MHz以下.光晶格光场与锁定于氢钟的光梳拍频结果显示,光晶格光场的长期频率稳定度优于3.6×10~(-10),可以确保实现镱原子光钟的不确定度进入10~(-17).     

光梳主动滤波放大实现锶原子光钟二级冷却光源

提出一种结合注入锁定技术的主动滤波放大方法,将光梳直接注入锁定至光栅外腔半导体激光器,产生窄线宽激光光源,该光源可以用于锶原子光钟二级冷却.实验中,将中心波长为689 nm,带宽为10 nm的光梳种子光源注入689 nm光栅式外腔半导体激光器,通过半导体增益光谱与半导体光栅外腔,从飞秒光梳的多个纵模梳齿中挑选出一个纵模模式来进行增益放大,再通过模式竞争,实现单纵模连续光输出;同时,光梳的重复频率锁定在线宽为赫兹量级的698 nm超稳激光光源上,因此,注入锁定后输出的窄线宽激光也继承了超稳激光光源的光谱特性.利用得到的输出功率为12 mW的689 nm窄线宽激光光源实现了88Sr原子光钟的二级冷却过程,最终获得温度为3μK,原子数约为5×10~6的冷原子团.该方法可拓展至原子光钟其他光源的获得,从而实现原子光钟的集成化和小型化.     

Rubidium-beam microwave clock pumped by distributed feedback diode lasers

A rubidium-beam microwave clock, optically pumped by a distributed feedback diode laser, is experimentally investigated. The clock is composed of a physical package, optical systems, and electric servo loops. The physical package realizes the microwave interrogation of a rubidium-atomic beam. The optical systems, equipped with two 780-nm distributed feedback laser diodes, yield light for pumping and detecting. The servo loops control the frequency of a local oscillator with respect to the microwave spectrum. With the experimental systems, the microwave spectrum, which has an amplitude of 4 n A and a line width of 700 Hz, is obtained. Preliminary tests show that the clock short-term frequency stability is 7 × 10~(-11) at 1 s, and 3 × 10~(-12) at 1000 s. These experimental results demonstrate the feasibility of the scheme for a manufactured clock.     

基于光学-微波同步的低噪声微波产生方法

低噪声微波在冷原子光钟、光子雷达、大科学装置远程同步等领域具有重要的应用价值.本文介绍了一种基于光学-微波相位探测技术的低噪声微波产生方案,利用光纤环路光学-微波鉴相器,将超稳激光的频率稳定度相干传递至介质振荡器.实验采用梳齿相位参考至超稳激光的窄线宽掺铒光纤飞秒光学频率梳,结合光纤环路光学-微波鉴相器和精密锁相装置,将7 GHz介质振荡器同步至光频梳重复频率的高次谐波,同步后的光脉冲序列与微波信号的剩余相位噪声为–100 d Bc/Hz@1 Hz,定时抖动为8.6 fs [1 Hz—1.5 MHz];通过搭建两套低噪声微波产生系统,测得7 GHz微波的剩余相位噪声为–90 d Bc/Hz@1 Hz,对应的频率稳定度为4.8×10^–15@1 s.该研究结果对基于光学相干分频的低噪声微波产生提供了一种新思路.     

散弹噪声极限稳定度优于1×10-13τ-1/2的铷频标物理系统

近年来,铷原子频标研究取得长足进展,频率稳定度达到10^-13τ^-1/2量级.为进一步改善铷频标稳定度性能,本文设计了一种高信噪比物理系统.物理系统中的腔泡组件采用微波场磁力线与量子化轴方向高度平行的开槽管式微波腔,滤光泡和吸收泡独立控温.抽运光源采用了光学滤光和同位素滤光双重滤光方案.本文实测了背景光电流I₀和鉴频斜率K_d,结果分别为95 μA和7.7 nA/Hz,在此基础上计算物理系统的散弹噪声极限稳定度为7.5×10^-14τ^-1/2.研究结果表明,只要锁频环路的电子学噪声得到有效控制,铷频标的频率稳定度突破1×10^-13τ^-1/2,进入10^-14τ^-1/2量级是完全可能的.     

用于互组跃迁谱测量的窄线宽激光系统

采用Pound-Drerer-Hall稳频技术将689 nm激光锁定在高精细度超稳极低膨胀系数材料腔上,实现用于探测锶原子互组跃迁谱的窄线宽激光.利用光腔衰荡光谱技术,测量了不同阶次多横模情况下腔的精细度,并在理论上分析了平凹型Fabry-Perot腔的损耗与多横模阶次的关系.考虑了光开关延时及探测器响应时间在测量中的影响,对腔衰荡时间的实验测量值进行了修正.利用光纤飞秒光频梳测量了激光器的频率漂移,测出窄线宽激光频率稳定度的秒稳优于2.8×10-13.利用窄线宽激光在锶原子束上观测到具有高信噪比的窄线宽原子跃迁谱线,实验测得谱线的线宽为55 kHz,该窄线宽原子谱线可应用于锶原子二级冷却激光绝对频率的精确测量及锶原子互组跃迁谱的四种同位素位移测量.