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。

基于飞秒光学频率梳的大尺寸精密测距综述

飞秒光学频率梳的出现对时间频率技术和光谱学技术产生了深远重大的影响,由此衍生的飞秒光学频率梳绝对测距技术以其快速、大尺寸、高精度等优点已成为国际研究热点,并有望直接应用于大装备制造、激光雷达和卫星编队飞行等大尺寸精密测距。在简要阐述飞秒光学频率梳的原理特性及主要应用的基础上,围绕光梳测距的发展历程及前沿方向,着重介绍了飞秒光梳精密测距近两年来的最新研究进展,并对该技术进行了总结和展望。

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9 h。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。

飞秒光学频率梳在计量领域的应用

飞秒光学频率梳是超快激光光学领域的重要研究方向,通过将锁模激光器重复频率(f_(r))及载波包络相移频率(f_(o))锁定至微波频率基准,在时域上呈现出飞秒量级的周期性超短脉冲序列,在频域上呈现出一系列离散等间隔排列的纵模分量,广泛应用于时间频率传递,空间尺度测量和精密光谱测量等诸多计量科学研究领域。根据飞秒光频梳的基本原理,着重介绍了其在计量领域的应用研究,分析了在计量领域的重要作用及研究的重要意义。

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532nm和碘稳频633nm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.

基于飞秒光学频率梳相关探测的绝对测距

提出了一种基于飞秒光学频率梳相关探测的绝对距离测量方法,通过检测测量信号与参考信号的相关条纹,实现了绝对距离测量。研究了一阶相关函数的测量模型,建立了基于非平衡迈克耳孙干涉光路的测量系统,通过拟合一阶相关函数包络并提取其峰值精确判断脉冲重合位置,获得了被测距离。设计并配合长导轨进行了3 m的绝对距离测量实验,并与商用干涉仪测量结果进行实时比对。基于大量实验数据,针对环境因素及系统误差进行了分析,并进行了误差消除与补偿。研究结果表明,所提方法在500 min长期测量中,在3 m的测量范围内的最大测量误差为5.85μm,测量标准差为2.20μm。

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 dBc/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 dBc/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.

掺铒光纤飞秒光梳频率锁定研究

飞秒光梳可以直接实现光频到微波频率转换,广泛应用于时频和计量领域,掺铒光纤飞秒光梳因其良好的频率稳定性、鲁棒性和可搬运性而倍受科学家青睐。本文报道了对掺铒光纤飞秒光梳载波包络相移频率和梳齿频率的锁定,通过控制腔内色散方法,利用反馈泵浦驱动电流方法实现载波包络相移频率的锁定;利用控制光学腔长度的方法,通过反馈电光调制晶体和压电陶瓷驱动电压实现了梳齿频率的频率锁定。最终得到载波包络相移频率和梳齿频率的频率稳定度分别为2.3×10^(-16)@1 s和3.5×10^(-17)@1 s,并能长期稳定不间断锁频达到37 h。

PPLN晶体差频测量飞秒激光脉冲的载波包络相移

在飞秒激光频率梳系统中,通常采用自参考技术测量飞秒激光脉冲的载波包络相移,但该技术需要采用光子晶体光纤进行光谱扩展从而增加了系统的不稳定性,这种技术已经制约了高稳定度的飞秒激光频率梳的发展.采用PPLN晶体差频法测量了宽谱钛宝石振荡器输出的7fs激光脉冲的载波包络频移,得到了大于30dB的拍频信号,为研制无光纤的新一代高稳定度光学频率梳奠定了基础.

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。

基于光纤光梳的传递振荡器技术研究

研究了基于光纤飞秒光学频率梳的传递振荡器技术,介绍了其基本原理,设计并搭建传递振荡器系统,实现了主激光器与从激光器光学频率的相干传递,锁定后系统环内拍频信号的s级频率稳定度达5×10^-19量级。搭建了两套传递振荡器系统,将主激光器的光学频率同时传递至两个独立的从激光器,分析了锁定后两个从激光器拍频信号引入系统中的相位噪声。通过提高拍频信号信噪比、优化信号处理过程、减小外部环境干扰等方法,最终两个从激光器得到的环外拍频信号线宽小于30mHz,光学频率传递的s级频率稳定度达1.4×10^-17量级。

基于声光效应的海水声速测量

基于光学频率梳与超声脉冲之间的声光效应,提出了一种海水声速直接测量的方法。根据光学频率梳模间拍频的相位测量了超声脉冲的飞行距离,根据脉冲声光效应引起的零级光的强度变化测量了超声脉冲的飞行时间。搭建了基于马赫-曾德尔干涉仪的测量装置。实验结果表明,该方法可以在实验室条件下实现高精度的海水声速测量,测量不确定度优于5 cm/s。

液体折射率的测量方法研究进展

介绍了目前应用较广的几种液体折射率测量方法的原理、精度以及它们在液体折射率测量方面的应用,其中飞秒激光光学频率梳在折射率测量方面的应用研究,有望在折射率测量中带来新的突破。