光频标和光频测量研究的历史、现状和未来

本文综合评述了光频标和光频测量研究的历史、现状和未来。在上世纪最后的30年间，光频标已达到10^-11-10^-13量级的准确度，使长度单位“米”进行了重新定义，实际上成为时间单位秒的“导出单位”。最近三年来，该领域的研究出现了重大突破。这是由于飞秒锁模激光技术与光频测量技术两者出人意外的结合，使微波频标与光频标之间建立了简易可行的联系，使光频标的准确度和实用性达到了前所未有的高度，成为计量学和物理学中一个新的亮点。它的进一步发展必将给计量学和物理学带来深远的影响。

光频测量的发展

光频标在准确度上比目前最高准确度的微波量子频标将高几个数量级 ,作为时频基准是很理想的 ,它的建立对我国乃至世界的科技发展有着重要的作用。光频测量是近几年国际科技领域的热点 ,实现对光频的测量对光频标的建立有着重要的意义 ,而测量方法是实现对光频测量的关键。综述光频的测量方法 。

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。

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。

飞秒梳技术与光频测量

最近,氢的1S和2S能态间的跃迁频率测量达到了18×10-14的精度.由于光学谱仪精度的提高,在各方面取得进展就变得容易而非困难.上述说法出自德国慕尼黑的麦克斯·普朗克量子光学研究所的汉斯(T·Hans ch),而汉斯本人从20世纪70年代就一直是该领域的领头人物.那时,氢的频谱测量精度可以达到10-7或10-8的水平.

氢钟测量死时间导致的光频测量统计不确定度分析

利用87Sr光晶格钟与氢钟的频率比对测量了氢钟的频率稳定度。在89%的光晶格钟有效运行率下,经过约10 d的测量得出氢钟的频率稳定度,并由此推导出氢钟噪声模型的相关参数。根据氢钟噪声模型生成的随机噪声序列,对由测量死时间导致的频差进行了100次模拟,并以模拟结果的1倍标准差为测量不确定度。不同有效运行率下,氢钟测量不确定度的计算结果表明,由氢钟测量死时间导致的不确定度随有效运行率的增加而减小,且在有效运行率小于10%时,增加总的测量时间可以显著减小测量不确定。

激光频率(波长)测量技术研究现状及发展

介绍了激光频率及波长的测量方法和当前发展动态,指出了每种测量方法的测量原理及测量不确定度,比较了各种测量方法的优缺点。提出了一种新的基于激光频率(波长)测量方法,该方法具有结构简单、易于实现、高精度等优点。

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。

铟离子冷却用跃迁频率与同位素移动的精密测量

利用囚禁在Paul型离子阱中的铟单离子和飞秒光频梳实现了铟离子5s^2 ~1S_0(F=9/2)-5s5p ~3p_1 (F=11/2)230.6nm冷却用跃迁频率的精密测量,准确度有超过两个量级的提高。一台基于半导体激光器的四倍频系统作为光源,飞秒激光光频梳作为光频测量的工具,它的参考源为一台铯原子钟。铟离子^(115)In^+与^(113)In^+的跃迁频率分别为1299648 954.54(10)MHz和1299649 585.36(16)MHz。该跃迁对应的纯同位素移动为630.82(19)MHz,考虑超精细相互作用后,同位素移动为695.76(1.68)MHz。

用飞秒锁模激光测量光的频率

介绍了2005年诺贝尔物理学奖的获奖工作-用锁模飞秒激光光梳去测量光的频率。飞秒激光光梳技术大大简化了光频的测量。锁模飞秒激光通过光子晶体光纤时,由于自相位调制,在可见光和近红外区能够产生上百万等间隔的梳状频率,其频率间隔等于锁模脉冲的重复率。利用光频梳和倍频技术,把对光频的测量变为对射频的测量,这样就能够很容易地测出光的频率。使得光频测量精度和原子钟精度达到前所未有的高度,从而对物理学和计量学的发展有重要意义。

光频域分布式光学偏振测试技术及应用(特邀)

光频域偏振测量(OFDP)是一种基于扫频激光干涉原理的分布式光纤偏振测试技术,它能够精确获取保偏光纤、器件、组件与光路的偏振特性及其空间分布,实现高性能器件与光路的性能测试与质量评价,以及缺陷分析与故障诊断。OFDP优点是可兼顾超高测量灵敏度、超大测量范围、高精细度、长测量距离、动态快速测量等,已逐渐发展成为性能最优的分布式光纤测量技术之一。本文回顾了OFDP的测量原理,定量分析了分布式偏振串音的测量极限,综述了分布式偏振测试性能提升的若干关键技术,给出了高精度偏振器件与光路的测试典型应用,并讨论了其技术挑战和未来潜在的研究方向。

飞秒激光及光钟

结合飞秒激光超强、超快、超稳、宽频、广谱、相干的特点,介绍了其相应的技术应用情况:应用超快特性的微观物理、生物、化学、信息、通信等;以超强应用为对象的材料加工、制备、电子对撞加速器、受控核聚变等;以超稳特性应用为对象的光频测量、长距离测量、光钟等,并简介了光钟。

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.

光频域反射技术中激光相位噪声影响分析

研究了光频域反射技术(OFDR)中因激光线宽有限而造成的激光相位噪声对系统性能的影响。理论推导了相位噪声的分布函数,仿真分析和实验测试了激光相位噪声与激光相干长度、反射信号强度之间的内在关联性。研究结果表明,激光相位噪声是OFDR中的重要噪声来源,影响着系统的测试精度和可测距离,当测试距离接近相干长度、链路中存在强的反射信号时,激光相位噪声的影响将更加严重、影响范围也将增加。因此,在OFDR的设计和应用中必须对激光相位噪声问题予以高度关注和设计考虑。

光子晶体光纤及其应用

光子晶体作为一种新兴的材料 ,将会对整个光子学和光子产业领域产生深远的影响 ,而其最重要的应用之一———光子晶体光纤已经在很多科研技术领域得到了应用 .文章综述了光子晶体光纤的研究进展 ,给出其分类 ,并重点介绍了光子晶体光纤在超短脉冲、光频测量。