覆盖可见光波长的掺Er光纤飞秒光学频率梳

飞秒光学频率梳波长覆盖范围向可见光波长扩展对于碘稳频激光的绝对频率测量以及光钟研究中钟激光的绝对频率测量都具有十分重要的意义. 本文在自行研制掺Er光纤飞秒光学频率梳的基础上, 采用放大-倍频-扩谱的方案, 实现了激光输出波长向可见光波长的扩展. 掺Er光纤飞秒光学频率梳输出的一部分光激光脉冲, 功率约为8 mW, 首先经掺Er光纤放大器将功率提高到531 mW, 此后利用MgO: PPLN晶体倍频, 倍频后激光的功率为170 mW, 倍频效率为32%, 脉冲宽度为85 fs. 倍频后的激光通过光子晶体光纤进行光谱展宽. 通过优化入射光偏振状态可以实现波长覆盖500-1000 nm, 输出功率为85 mW, 耦合效率为50%. 采用小型化碘稳频532 nm Nd: YAG激光器输出激光与光学频率梳光谱展宽后的激光进行拍频可以获得30 dB的拍频信号. 覆盖可见光波长的掺Er光纤飞秒光学频率梳为可见光范围内激光的绝对频率测量提供了技术手段.     

掺Er光纤飞秒激光器载波包络位相偏移的探测

本文介绍了基于掺Er光纤飞秒激光器光学频率梳中光学部分的研制. 实验上采用重复频率为230 MHz的掺Er光纤飞秒激光器,通过放大、光谱展宽以及单臂f—2f系统,在优化及分析相关参数影响的基础上,获得了~30 dB信噪比f₀的输出,为光纤光学频率梳的建立奠定了基础. 关键词： 掺Er光纤激光器 光学频率计量 光纤光学频率梳 光谱展宽     

飞秒频率梳和单频激光干涉光谱的实验研究

本文研究了光学频率梳输出的整形后飞秒脉冲激光和单频激光的干涉光谱。实验中光学频率梳和单频激光干涉的信号包括直流项、光学频率梳输出的脉冲激光相邻模式之间的干涉项和光学频率梳脉冲激光与单频激光之间的干涉项。实验上研究了光学频率梳脉冲激光与单频激光干涉信号间距和单频激光频率的关系,提供了一种快速直接测量单频激光频率的有效方法。研究了光学频率梳输出的飞秒脉冲光经过铷泡后与单频激光干涉信号和单频激光频率的关系,获得铷原子吸收光谱。该研究工作对于原子分子高精密光谱测量具有一定的意义。     

锶原子光晶格钟

进入21世纪以来,锶原子光晶格钟经历了快速的发展,系统频移的不确定度指标已经超越现有的秒定义基准铯原子喷泉钟,进入到10~(-18)量级,体现了人类精密测量能力的最高水平,是精密测量物理的热点研究内容.本综述简要介绍了锶原子光晶格钟的发展水平;详细介绍了锶原子光晶格钟的各个组成部分和关键技术、如何进行精密光谱探测和闭环锁定以及各项系统频移的不确定度评估方法和锶原子跃迁绝对频率测量的方法等;最后简要介绍了锶光钟的应用和未来发展趋势.     

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.     

级联掺Yb增益光纤提高拍频信号信噪比的实验研究

飞秒光学频率梳的出现使对未知激光的绝对频率测量成为可能,极大地简化了激光绝对频率的量值溯源和比对工作.为了保证测量数值的准确性,飞秒光学频率梳与未知激光的拍频信号fb的信噪比要求大于30 d B.针对碘稳频532 nm激光绝对频率测量的特定需求,以532 nm激光的基频光1064 nm激光的绝对频率测量为着眼点,本文采用303 MHz重复频率的掺Er光纤光学频率梳,首先通过激光放大和光谱展宽技术使光谱覆盖到1μm波段,然后采用级联掺Yb增益光纤技术,将扩谱后1μm波段的激光功率进行放大,提高了掺Er光纤光学频率梳扩谱后1μm波长附近的激光强度.采用碘稳频532 nm激光的基频光作为待测光源与飞秒光学频率梳进行拍频.实验表明,与未经过光谱增强的激光相比,光谱增强后的激光与1064 nm激光拍频信号的信噪比提高了5 d B,保持在35 d B附近.该技术有效地缓解了采用掺Er光纤光梳测量1064 nm激光绝对频率时对直接扩谱所获得的1μm波长激光的强度要求.     

Rb原子滤波器的实验研究

本文用热Rb原子进行了光学滤波的研究。将一束激光调谐到Rb原子D2线的F=1→F′=2共振吸收线上,使其泵浦Rb原子,实现原子布居极化(即将Rb原子制备到能级F=2上)。当一束信号光反向穿过该介质时,若信号光频率调谐到原子"吸收窗口"(D1线F=2→F′=2),该介质对信号光大量吸收,信号光透射率仅为0.14%;若信号光频率调谐到原子"透明窗口"(D1线F=1→F′=2),信号光透射率高于47.4%。这种极化的原子介质可以用来做光学滤波器。     

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.     

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.     

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.     

光学频率标准与光钟的实现

综述了时间频率标准的发展过程.对构成光学频率标准的四个要素,即激光冷却、激光稳频、离子捕陷和光学频率梳进行了系统的介绍.详细描述了光钟的原理与系统构成,并对光学频率标准与光钟的应用前景进行了展望.     

光学频率梳非线性传输及其在相位噪声探测中的应用

光纤传递链路中相位噪声探测是基于光纤的精确射频标准传递系统中重要组成部分。为解决光纤链路相位噪声探测中节点反射干扰的问题, 本文基于广义非线性薛定谔方程, 理论上研究了窄带光学频率梳在色散位移光纤中的非线性光学传播特性。在理论分析的基础上, 结合密集波分复用架构, 提出了一种基于锁模光学频率梳进行光纤传递射频信号的相位噪声探测新技术, 克服了节点反射干扰, 给出了初步实验验证。     

小型化锶光钟物理系统的研制

光钟物理系统的小型化是制约可搬运光钟及空间冷原子光钟发展的重要因素.主要介绍了小型化锶原子光钟物理系统的研制实验.采用真空腔内置反亥姆霍兹线圈,构建一个小电流、低功耗及小体积的磁光阱.实验中测得真空线圈通电电流仅为2 A时,磁光阱中心区域轴向磁场梯度可达到43 Gs/cm,完全满足锶原子多普勒冷却与俘获对磁场梯度的要求.目前已经成功将锶原子光钟物理系统体积缩小至60 cm×20 cm×15 cm,约为实验室原锶光钟物理系统体积的1/10,并且实现了锶原子的一级冷却,测得俘获区冷原子团的直径为1.5 mm,温度约为10.6 mK.锶同位素~(88)Sr和~(87)Sr的冷原子数目分别为1.6×10~6和1.5×10~5.重抽运激光707和679 nm的加入,消除了冷原子在~3P_2和~3P_0两能态上的堆积,最终可将冷原子数目提高5倍以上.     

基于~(87)Rb原子的大失谐光晶格的设计与操控

提出了一种基于~(87)Rb原子的大失谐光学晶格的设计方案,详细介绍了光晶格光束的校准、频率失谐的调整以及光强输出的控制方式.在磁光阱和偏振梯度冷却的基础上,研究了光学晶格的总光强和频率失谐等参数对原子装载的影响,实现了光晶格中冷原子的绝热装载与卸载.通过光强调制的方法,测量了光晶格的振动频率.光晶格的引入,使得温度降低为原有的1/3.涉及的系统设计和结论对其他碱金属原子光晶格的实验设计具有参考价值.     

面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光梳系统

报道了自主研制的面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光学频率梳,包括飞秒激光源,频率探测及控制单元,光谱展宽及拍频单元.光纤光梳系统中飞秒激光光源是一套基于非线性偏振旋转锁模机制的掺铒飞秒光纤激光器,重复频率为196.5MHz,中心波长为1 572nm.利用f-2f法探测载波包络相移频率,获得信噪比约为40dB的信号(分辨率带宽300kHz).改变飞秒激光光源泵浦控制载波包络相移频率、频率稳定度是3.74×10-18/τ1/2;通过电光晶体和压电陶瓷改变飞秒激光光源腔长来控制重复频率frep、频率稳定度是1.75×10-13/τ1/2.利用高非线性光纤和倍频晶体将光纤光梳直接输出光谱由1 520～1 607nm扩展到671nm,获得了单模功率为208nW的光信号.与671nm单频激光拍频产生约为60dB(分辨率带宽1Hz)信号,满足Li原子D1线频率测量实验的需求.     

低相噪光学频率梳

光学频率梳是光钟的重要组成部分,相噪是光梳的基本特性。文章从光梳相噪的描述方法入手,对光学频率梳相噪产生的几种常见来源及相噪抑制技术进行了综述,详细介绍了业已实现的几种低相噪光学频率梳。文末展望了未来低相噪光学频率梳的发展新趋势。     

提升原子光钟的精度

正研究者用光谱成像方法降低锶原子光晶格钟的频率偏移,获得原子钟精度的新纪录。当今最精确的原子钟是基于锶、镱和其他碱土(或类似于碱土)原子。这些元素具有超窄的跃迁光频率,从而为时间测量提供了稳定、精确的频率标准。相比于目前用来定义秒的铯原子钟,碱土元素的频率标准比它精确近千倍。在美     

三维光学晶格中铯原子的装载与冷却

建立了四光束的三维光学晶格势场,在铯原子磁光阱和光学粘团的基础上实现了红失谐三维光学晶格中冷原子的装载.借助于短程飞行时间吸收谱测量冷原子温度,通过改变光学晶格的总光强和频率失谐等条件,对光学晶格中铯原子的亚多普勒冷却以及光学晶格中冷原子的寿命进行了研究. 关键词： 光学晶格 磁光阱 光学粘团 冷原子     

集成原子光学及其原子芯片

随着原子激光冷却、囚禁与操控技术以及微米、纳米微电子制作技术的快速发展与不断完善,一个新兴的原子光学分支学科一“集成原子光学及其原子芯片”正在形成。本文重点介绍了集成原子光学及其原子芯片的集成方案、实验结果及其最新进展：包括表面微结构原子光学元器件、微磁结构集成原子光学、微光结构集成原子光学和微磁光结构集成原子光学及其原子芯片的设计方案与微制作技术及其最新实验结果。最后,简单总结了原子芯片的设计原则,讨论了芯片设计与研制中尚待解决的问题,并就集成原子光学的潜在应用及其未来发展作一简单展望。