双路光谱展宽的钛宝石飞秒光学频率梳系统

对中国计量科学研究院研制的第一代基于钛宝石飞秒激光器的光学频率梳系统进行了改进和优化. 通过对激光器重复频率、光谱展宽以及拍频信号探测等方面的改进,有效地降低了光谱展宽的复杂性,提高了飞秒光学频率梳系统的稳定性和激光频率测量的便捷性. 采用该光学频率梳系统对碘稳频532 nm和碘稳频633 nm激光绝对频率进行了测量,测量结果在国际推荐值的不确定度范围之内. 关键词： 光学频率计量 飞秒光学频率梳 光谱展宽     

飞秒钛宝石光学频率梳的精密锁定

经相位锁定后的飞秒钛宝石光学频率梳已经广泛用于绝对光频的测量，这是光频标领域一个革命性的突破.在自建的90MHz飞秒钛宝石激光器的基础上首先采用光子晶体光纤将其光谱展宽到一个光倍频程，接着利用锁相环技术分别将重复频率和载波包络频移同时高精度地锁定到一台稳定度为6×10^－14的Cs钟上，进而得到了稳定度相同的飞秒光学频率梳.     

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.     

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.     

基于飞秒光频梳的双频He-Ne激光器频率测量

利用光纤飞秒光频梳和外腔可调谐半导体激光器, 建立了一套双频He-Ne激光器频率测量系统. 选用铷钟作为系统的频率基准, 通过将外腔半导体激光锁定至光频梳使得其频率溯源至铷钟, 再利用外腔可调谐半导体激光与双频He-Ne激光器输出的正交偏振激光拍频, 同时测量两路正交偏振激光频率. 将可调谐半导体激光器锁定至光频梳第1894449个梳齿, 其绝对频率为473612190000.0±2.7 kHz, 相对不确定度为5.7×10^-12. 对商品双频He-Ne激光器进行频率测量实验, 双频He-Ne激光器水平方向偏振激光频率均值为473612229934 kHz, 竖直方向偏振激光频率均值为473612232111 kHz, 平均时间为1024 s的相对Allan标准差为5.2×10^-11, 频差均值为2.177 MHz, 标准偏差为2 kHz.     

重复频率倍增光频梳时域互相关绝对测距

利用法布里-珀罗标准具对光纤光频梳的重复频率(重频)进行倍增,使光频梳重频从最初的250 MHz提升至10 GHz,对应的脉冲间距从1200 mm缩减至30 mm,极大地降低了脉冲互相关测距方法对参考臂扫描范围的需求.建立了重频倍增光频梳的时域互相关干涉信号数学模型,通过数值模拟分析了光源参数(重频、起始偏移频率)和法布里-珀罗标准具参数(色散、腔长、中心波长)对滤出光谱形状以及互相关信号的影响.在实验中,使用重频倍增后的光频梳进行脉冲互相关干涉绝对测距,与参考干涉仪对比,在210 mm范围内获得优于4μm的测距精度.     

飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱技术进展

飞秒光学频率梳以其频谱宽、脉宽窄、频率稳定度高等优点,对光学频率计量、绝对距离测量、高精度光谱测定产生重大影响。飞秒光学频率梳的时域特性和频域特性溯源至微波频率基准,使得高精度气体吸收光谱探测成为可能。飞秒光学频率梳光谱技术具有测量速度快、光谱灵敏度高、分辨率高、信噪比高等优点,因此加大对飞秒光学频率梳光谱技术的研究力度将更好地服务于环境保护、工业生产、生物医学、科学研究等各领域。飞秒光频梳高精度气体吸收光谱主要可分为光频梳腔衰荡光谱、光频梳腔增强光谱和双光频梳多外差光谱。其中,根据采集方式不同,光频梳腔增强光谱又可分为梳齿游标测量法、虚拟成像相位阵列测量法和傅里叶变换测量法。目前,国外已广泛开展相关研究,而国内仍处于起步阶段。本文综述了飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法典型的实验方案,分析了各探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果。     

单腔双光梳激光器及其光谱学应用研究进展

光频梳因频率等间隔、波长稳定、谱线线宽窄以及谱宽大等特性,在高精度测量和计量中具有广泛的应用。其中,双光梳快速测量包括光谱测量、绝对测距、三维成像和超快异步光学采样等已成为研究热点之一。近年来,基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学系统由于具有结构简单、测量范围大和精度高等优点而备受关注。首先从时域和频域介绍了光频梳的特性和应用,尤其介绍了双光梳测量的优势,相较目前主流的稳频稳相锁模激光器、电光调制等双光梳光源实现方案,单腔双光梳激光器方案有望避免采用复杂的电子控制系统,简化双光梳光源的结构、体积和成本。因此,重点介绍了波长复用、偏振复用、空间复用和脉冲波形复用的单腔双光梳光纤激光器实现技术,并对其基本原理、性能参数和当前研究的进展以及目前发展中仍然存在的问题进行了分析;同时对保偏光纤双光梳激光器的研究现状及其性能进行了总结。接着,重点介绍了双梳光谱学的测量原理,回顾了现有光谱扩展技术,并详细介绍了基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学应用案例,包括掺铒光纤激光器所在的近红外波段以及其扩展到中红外和太赫兹波段的光谱探测。最后,总结了目前的单腔双光梳激光器的主要发展趋势,包括进一...     

利用光频梳提高台阶高度测量准确度的方法

提出一种利用光频梳和可调谐半导体激光器提高台阶高度测量准确度的方法. 通过将可调谐激光器锁定至光频梳,可对激光器的输出波长进行精确锁定与测量.基于可调合成波长链原理,利用锁定后的半导体激光器构建了一套台阶高度测量方案,该方案可消除合成波长误差对台阶高度测量不确定度的影响. 采用一台可调谐半导体激光器和光频梳进行了5000 s的连续锁定实验, 结果表明,锁定后的可调谐半导体激光器的频率稳定度达 1.8×10^-12.该方法的理论测量不确定度约为7.9 nm, 且测量结果可溯源至时间频率基准.     

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.     

Femtosecond fiber laser based methane optical clock

An optical clock based on an Er³⁺ fiber femtosecond laser and a two-mode He–Ne/CH₄ optical frequency standard (λ=3.39 μm) is realized. Difference-frequency generation is used to down convert the 1.5-μm frequency comb of the Er³⁺ femtosecond laser to the 3.4-μm range. The generated infrared comb overlaps with the He–Ne/CH₄ laser wavelength and does not depend on the carrier–envelope offset frequency of the 1.5-μm comb. In this way a direct phase-coherent connection between the optical frequency of the He–Ne/CH₄ standard and the radio frequency pulse repetition rate of the fiber laser is established. The stability of the optical clock is measured against a commercial hydrogen maser. The measured relative instability is 1×10⁻¹² at 1 s and for averaging times less than 50 s it is determined by the microwave standard, while for longer times a drift of the He–Ne/CH₄ optical standard is dominant.     

基于飞秒光频梳的压电陶瓷闭环位移控制系统

利用飞秒光频梳、外腔可调谐半导体激光器和法布里-珀罗干涉仪建立了一套压电陶瓷亚纳米级闭环位移控制系统. 将可调谐半导体激光器锁定至光频梳, 通过精确调谐光频梳的重复频率, 实现了半导体激光器在其工作频率范围内的精密调谐. 利用Pound-Drever-Hall锁定技术将带有压电陶瓷的法布里-珀罗腔锁定至半导体激光器, 进而通过频率发生系统控制压电陶瓷产生亚纳米级分辨率的位移. 实验研究发现锁定至光频梳后可调谐半导体激光器1 s的Allan标准偏差为1.68×10^-12, 将其在30.9496 GHz范围内进行连续闭环调谐, 可获得压电陶瓷的位移行程约为4.8 μm; 以3.75 Hz的步长扫描光频梳的重复频率, 实现了压电陶瓷的450 pm闭环位移分辨率并测定了压电陶瓷的磁滞特性曲线. 该系统不存在非线性测量误差, 且激光频率及压电陶瓷位移均溯源至铷钟频率源. 关键词： 光频梳 压电陶瓷 法布里-珀罗腔 可调谐半导体激光器     

A diode laser spectrometer at 634nm and absolute frequency measurements using optical frequency comb

This paper reports that two identical external-cavity-diode-laser (ECDL) based spectrometers are constructed at 634 nm referencing on the hyperfine B-X transition R(80)8-4 of ¹²⁷I₂. The lasers are stabilized on the Doppler-free absorption signals using the third-harmonic detection technique. The instability of the stabilized laser is measured to be 2.8×10^-12 (after 1000 s) by counting the beat note between the two lasers. The absolute optical frequency of the transition is, for the first time, determined to be 472851936189.5 kHz by using an optical frequency comb referenced on the microwave caesium atomic clock. The uncertainty of the measurement is less than 4.9 kHz.     

Noise properties of an optical frequency comb from a SESAM-mode-locked 1.5-μm solid-state laser stabilized to the 10?13 level

We present a detailed investigation of the noise properties of an optical frequency comb generated from a femtosecond diode-pumped solid-state laser operating in the 1.5-??m spectral region. The stabilization of the passively mode-locked Er:Yb:glass laser oscillator, referred to as ERGO, is achieved using pump power modulation for the control of the carrier envelope offset (CEO) frequency and by adjusting the laser cavity length for the control of the repetition rate. The stability and the noise of the ERGO comb are characterized in free-running and in phase-locked operation by measuring the noise properties of the CEO, of the repetition rate, and of a comb line at 1558?nm. The comb line is analyzed from the heterodyne beat signal with a cavity-stabilized ultra-narrow-linewidth laser using a frequency discriminator. Two different schemes to stabilize the comb to a radio-frequency (RF) reference are compared. The comb properties (phase noise, frequency stability) are limited in both cases by the RF oscillator used to stabilize the repetition rate, while the contribution of the CEO is negligible at all Fourier frequencies, as a consequence of the low-noise characteristics of the CEO-beat. A?linewidth of ??150?kHz and a fractional frequency instability of 4.2×10^?13 at 1?s are obtained for an optical comb line at 1558?nm. Improved performance is obtained by stabilizing the comb to an optical reference, which is a cavity-stabilized ultra-narrow linewidth laser at 1558?nm. The fractional frequency stability of 8×10^?14 at 1?s, measured in preliminary experiments, is limited by the reference oscillator used in the frequency comparison.     

飞秒光梳和碘稳频532nm Nd:YAG激光频率的测量

报道了中国计量科学研究院研制的基于掺钛蓝宝石(Ti:Sapphire)锁模飞秒脉冲激光器的飞秒光学频率梳装置，并利用此装置测量了碘稳频532nm(¹²⁷I₂R(56)32-10) Nd∶YAG固体激光器的频率，结果为 563260223512991±20Hz,相对不确定度为3.6×10^-14.这一数值是直接溯源到铯原子微波频率基准的光学频率测量结果.     

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.