698nm超稳激光研究进展

为满足新一代时间频率系统中锶原子光钟的研制任务的需求,研制了698 nm超稳激光系统。基于PDH激光稳频技术,将激光频率锁定在高精细度光学参考腔共振频率上,通过PID负反馈控制系统实现对激光频率的纠正,从而提高激光的频率稳定度。两套独立激光系统的拍频比对结果显示,单套激光系统的频率稳定度约2.5×10^(-15)/s,线宽是2 Hz。

1550nm可搬运超稳激光工程化研制

为了满足高精度地基授时系统项目的需求,本文对1 550 nm可搬运超稳激光系统进行了工程化研究。对5 cm长的光学参考腔进行了振动敏感度优化,最终其优于1×10^(-11)/g。完成了光学参考腔的自研,测得其精细度为78 000。对光学、真空系统以及电子学系统进行了集成化设计,整机总体积约为360 mm×380 mm×300 mm,总质量约为20 kg。通过拍频比对,其线宽约为1.41 Hz,频率稳定度小于1×10^(-14)@1 s。从实验测量结果可以看出,该超稳激光基本满足了地基授时项目工程化要求,同时也为国内可搬运超稳激光器的研究奠定了基础。

超稳激光的研究

介绍了实现超稳激光和Pound—Drever—Hall（PDH）稳频系统的基本原理，并就削减振动、温度、空气扰动等方面噪声的主要方法进行了讨论。此外，概述了超稳激光的主要应用，介绍了通过超稳激光实现超稳微波源的应用，并提出为实现超稳微波源而自行设计的超稳激光方案和系统设计参数。

10^(-16)量级698 nm超稳激光

为了实现高稳定度的锶原子光钟,设计了基于30 cm腔超稳激光系统。系统性评估并抑制了系统中存在的主要噪声,将参考腔的振动不敏感度降低到6×10^(-10)/g,对应的频率不稳定度小于3.6×10^(-16);使用真空室内控温的方法,将控温层的温度变化减小到0.4 mK以内,腔上温度起伏在1 Hz处相比实验室环境温度降低了5个数量级;功率抖动经抑制达到了1 pW,对应的频率不稳定度为2.4×10^(-19)@1 s;剩余幅度噪声、光纤相位噪声经抑制后均小于3×10^(-16),完全满足达到10^(-16)量级超稳激光的条件。与10 cm腔超稳激光系统进行拍频比对,综合拍频结果和噪声分析显示,系统锁定后激光频率不稳定度的秒稳小于6.2×10^(-16)。

超稳激光频率锁定系统中干涉效应抑制与锁频电路设计

超稳激光是精密测量领域的关键工具,其频率稳定度很大程度上取决于频率锁定稳定度。笔者理论研究了干涉效应对锁频误差信号的影响,并通过实验研究了降低干涉效应的方法,以提高激光的频率锁定稳定度。经过优化后,锁频系统的锁定稳定度相对于参考腔线宽达到了9×10^(-7)。在参考腔线宽为21 kHz(精细度为7.5万)的情况下,将1.5μm激光的频率稳定度锁定到4.0×10^(-16)水平,接近10 cm参考腔的热噪声极限。本文所提降低干涉效应的方法是研制稳定度高达10^(-17)水平的超稳激光器的重要参考。

可移动光学超稳腔的研制及其稳定性测试

可移动超稳腔可以减小环境振动对激光稳定性带来的影响,适合振动强度较大的运输条件。本文展示了一种由低膨胀系数玻璃制作的光学谐振腔,并测试了激光锁定到该可移动超稳腔的频率稳定性。支杆固定于金属热屏蔽罩内的机械设计使其具有良好的稳定性和可移动性。采用短延迟自外差干涉法测量了激光器锁定到超稳腔后的线宽,并且借助振动平台测试其稳定性。实验发现锁定后的激光器线宽和振动频率存在线性关系,激光器线宽会随着振动加速度增大出现饱和效应。去除振动时激光线宽可以恢复到无振动时的数值,证实该超稳腔具有较高稳定性。

超稳激光技术及其在锶光钟研究中的实现

中国计量科学研究院于2008年、2011年和2018年先后研制了百赫兹、赫兹和亚赫兹量级的超稳激光系统。本文主要介绍各种指标的超稳激光实现的途径及条件,论述参考腔、快速反馈锁定技术及如何运用精密控制技术抑制外界环境对参考腔腔长的影响,获得10−15或更高频率稳定度的超稳激光。从实验上将半导体激光器稳定锁定到30 cm长的高精细度ULE参考腔上,实现了频率稳定度3×10−16的超稳激光。

基于光纤噪声抑制系统的1.5μm超稳激光系统比对

搭建了一套光纤相位噪声抑制系统。通过环外自拍频,得到噪声本底的秒级频率稳定度为6.8×10^(-18),2000s平均时间后达到2.3×10^(-19)。利用该系统可实现窄线宽激光频率在1.6km实际光纤链路中的传输,传输后环外自拍频信号的秒级频率稳定度可达1.2×10^(-17)。基于连接两个实验室的808m实际光纤链路,将此系统应用于1.5μm超稳激光的比对,通过拍频测量得到激光线宽为(0.54±0.15)Hz,秒级频率稳定度为1.2×10^(-15)。

用于亚Hz量级线宽超稳激光频率噪声评估的高准确度低噪声频率电压转换器研制

超稳激光的频率噪声是评估超稳激光性能的一个重要指标,一般均需要借助频率电压转换装置将频率噪声转换为电压噪声来测量。目前市场上现有的频压转换芯片适用于工业控制领域,不能满足评估超稳激光所需的低噪声、高输入频率以及大带宽的需求。本文基于锁相环技术设计了一种准确度高、附加噪声低的频率电压转换器,介绍了其工作原理,并对其转换系数、准确度和附加频率噪声进行了测试。实验数据显示,该频压转换器在24.85MHz~25.19MHz频率区间内实现了频率-电压的线性转换;具有较高的准确度,在100kHz测量范围内,频压转换误差小于0.5dB;附加频率噪声在1Hz频偏处的频率噪声小于-10dB Hz2/Hz,在2Hz~100kHz的测试带宽内,噪底均低于-20 dBHz2/Hz,满足测试线宽在亚Hz水平的超稳激光器频率噪声的要求。

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.

基于光频梳的超稳短期频率稳定度标准计量器具

针对原有国防短期频率稳定度最高计量标准难以满足高稳频率源量值溯源与传递的需求,以超稳激光器作为高稳光学基准,以低相噪光频梳为分频媒介,突破高稳光电变频链路技术,从而产生100 MHz的超稳短期频率稳定度标准,秒稳达到4×10^(-15)/s,较现有指标最好的国防标准提高了两个量级,形成了"超稳短期频率稳定度标准装置,突破了国防短期频率稳定度计量器具10^(-15)等级链路的技术瓶颈,首次建立了10^(-15)量级的短期频率稳定度量传体系,将国内的标准能力提升了两个数量级。

一种用于超稳激光的数字控制锁频电路

超稳激光具有超高的频率稳定度和极窄线宽等优点,广泛应用于各种精密测量物理实验。为了确保不引入额外开关噪声,其频率锁定电路通常采用模拟电路实现,但是模拟控制电路存在锁定参数调节不方便、难以实现自动锁定和远程控制等方面的不足。针对这些问题,提出一种基于数字控制的通用型模拟锁频电路。该电路可以通过数字开关实现对锁定参数的大范围调节,通过数字算法实现自动重锁,同时该电路具有USB通信功能,可以通过电脑远程调整锁频参数和实现频率锁定。利用该电路实现了激光器频率到高精细光学谐振腔的长期锁定,锁定后激光频率稳定度1 s积分时间4.6×10^(-16),2~10 s积分时间小于4.2×10^(-16),接近10 cm超稳腔的热噪声极限。这种长期稳定运行的超稳激光系统将有利于基于超稳激光的精密测量物理实验的开展和光钟走向应用。

基于超稳腔PDH稳频的280 mHz线宽DBR光纤激光器

利用超稳腔PDH(Pound-Drever-Hall)稳频技术,对自研的分布Bragg反射(DBR)单纵模光纤激光器稳频,获得亚赫兹线宽超稳激光的稳频结果。通过优化腔结构参数,辅以绝热封装和精密温控等措施,并在腔内设置可快速宽范围调谐激光频率的压电陶瓷(PZT),研制出了可满足超稳腔PDH稳频要求的自由运转DBR光纤激光器。基于腔长为10 cm、精细度为360000的超稳光腔频率为参考频率,PDH稳频后光纤激光器的1 s和100 s频率不稳定度分别达到了6×10^(-16)和8×10^(-15),频率噪声降低至8×10^(-3)Hz2/Hz@1~10 Hz,激光线宽窄至280 mHz,由此表明研制的光纤激光器可用于构建亚赫兹线宽超稳激光光源。

用于Hg原子光晶格钟的低漂移率超稳腔系统

光晶格钟需要高稳定度的超稳激光,而超稳激光的频率稳定性受限于超稳腔的热噪声和温度涨落,因此,降低超稳腔的温度涨落对于超稳激光的频率噪声达到热噪声极限具有重要意义。分别从时域和频域上分析了达到热噪声极限对超稳腔温度稳定性的要求,设计了超稳腔控温系统,其包括一层被动隔热、两层主动控温的超稳腔真空系统和主动控温装置;找到了超稳腔的零膨胀工作温度;测量了真空隔热系统的温度传递时间常数(3.6d);监测了真空腔内主动控温层11d的温度涨落(<1mK)。通过实验测量和理论分析,在频域和时域上分别计算得到了超稳腔的温度波动,确定了千秒内的温度涨落引起的频率噪声均在热噪声极限以下。利用磁光阱产生的199 Hg冷原子的钟频跃迁光谱测得超稳腔的长期温度漂移为4.2kHz/d,符合Hg原子光晶格钟的要求。

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.

振动不敏感球形光学参考腔研究

本文主要研究用于超稳激光研制的实验室内水平放置的球参考腔的振动敏感度问题.研究了支撑点高度和支撑面积对腔长变化的影响,并讨论了加速度大小的变化对腔长变化的影响.在支撑点完全固定的情况下,振动敏感度被降低到3.0×10-10/g以内.通过大量的数值模拟获得了球参考腔的最佳支撑位置.根据优化的结果提出了这种切割球参考腔放置平台的方案.考虑了加工误差、近水平放置和非对称支撑对参考腔振动敏感度的影响,定量地给出了这三种因素引起的腔长改变量,而且讨论了二阶效应对腔长变化的贡献.

基于量子逻辑技术的铝离子光频标研究进展

光频标(光钟)在时间及长度定义、基本物理常数及其随时间变化的测量、相对论检验、甚长基线干涉仪、测地学以及全球卫星导航定位等领域都有广泛的应用.一台光频标由超稳激光、光梳和囚禁的离子或原子组成.其准确度受到多普勒频移、塞曼频移、斯塔克频移、碰撞频移、黑体辐射频移等的影响.其中黑体辐射频移是对于系统误差影响较难评估也较难控制的一项,而铝离子在目前所有正在发展的光频标里面是黑体辐射频移最小的一个,其不确定度仅有4.0×10^(-19),因此铝离子光频标是很有前途的一种光频标.本文将分别介绍光频标的3个组成部分,以及当前基于量子逻辑技术铝离子频标的基本原理和华中科技大学的最新研究进展.