Optical frequency comb technology: from ground to space

Optical frequency combs,as powerful tools for precision spectroscopy and research into optical frequency standards,have driven continuous progress and significant breakthroughs in applications such as time-frequency transfer,measurement of fundamental physical constants,and high-precision ranging,achieving a series of milestone results in ground-based environments.With the continuous maturation and evolution of femtosecond lasers and related technologies,optical frequency combs are moving from ground-based applications to astronomical and space-based applications,playing an increasingly important role in atomic clocks,exoplanet observations,gravitational wave measurements,and other areas.This paper,focusing on astronomical and space-based applications,reviews research progress on astronomical frequency combs,optical clock time-frequency networks,gravitational waves,dark matter measurement,dual-comb large-scale absolute ranging,and high-resolution atmospheric spectroscopy.With enhanced performance and their gradual application in the field of space-based research,optical frequency combs will undoubtedly provide more powerful support for astronomical science and cosmic exploration in the future.

Comb-Based Filter Design Using Sharpening Technique and Certain Palindromic Polynomial

This paper presents a novel approach to improve aliasing rejection in comb-based decimation filters. The method is established on certain palindromic polynomials with all zeros on the unit circle and the sharpening technique. As a result, aliasing rejection and the passband characteristic are improved. The method is illustrated with various examples and compared with the methods from the literature. .

Phase-coherence dynamics of frequency-comb emission via high-order harmonic generation in few-cycle pulse trains

Frequency-comb emission via high-order harmonic generation(HHG)provides an alternative method for the coherent vacuum ultraviolet(VUV)and extreme ultraviolet(XUV)radiation at ultrahigh repetition rates.In particular,the temporal and spectral features of the HHG were shown to carry profound insight into frequency-comb emission dynamics.Here we present an ab initio investigation of the temporal and spectral coherence of the frequency comb emitted in HHG of He atom driven by few-cycle pulse trains.We find that the emission of frequency combs features a destructive and constructive coherences caused by the phase interference of HHG,leading to suppression and enhancement of frequency-comb emission.The results reveal intriguing and substantially different nonlinear optical response behaviors for frequency-comb emission via HHG.The dynamical origin of frequency-comb emission is clarified by analyzing the phase coherence in HHG processes in detail.Our results provide fresh insight into the experimental realization of selective enhancement of frequency comb in the VUV–XUV regimes.

无轴泵喷叶片流激共振产生机理及其抑制

针对无轴泵喷异常高频梳状线谱噪声,本文研究了梳状线谱的产生原因及其噪声抑制特点。基于推进器实测噪声谱、振动谱梳状特征,初步定位梳状线谱与泵喷叶轮密切相关;进一步采用单向流固耦合分析方法,验证了无轴泵喷高频线谱来源于流激引起的叶轮面内2弯模态共振,并提出了一种在叶轮过流通道增设环筋以提高叶片支撑刚度的方案。流固耦合仿真及实测结果表明:带有环筋加强的泵喷叶轮对流激振动与噪声有明显抑制作用,梳状线谱噪声降幅达25.2~30.2 dB,且未向其他频段转移。

梳状高度计编队探测海洋涡旋仿真分析

单颗星下点高度计卫星可进行一维海面高度测量,但时空分辨率较低,对涡旋的探测能力不足。梳状高度计卫星编队可提升海面高度时空分辨率,增强对涡旋的识别探测能力。为定量分析高度计编队下的涡旋探测能力,本文在黑潮延伸体海域开展观测仿真实验,对海平面高度进行沿轨采样,经优化插值算法处理后得到逐天海面高度异常数据场并进行涡旋识别与统计分析。此外,本文还同步开展了单颗星下点高度计和成像高度计卫星涡旋探测仿真实验及对比分析。结果表明,梳状高度计卫星编队在涡旋数量、极性、半径及振幅等方面识别效果较好,与成像高度计探测结果相近。

一种改进的Fixed-base Comb安全快速算法

本文从分析椭圆曲线上Fixed-baseComb算法出发,根据其特点,利用牺牲乘法操作以降低求逆操作的方法,分别用2kP、2P+Q的快速算法对Fixed-baseComb算法的预计算阶段和赋值阶段进行改进,极大地提高了计算效率:在素数域上预计算阶段提高70%～80%,而赋值阶段提高38%～43%,同时,改进算法通过对k的预处理,使得算法能够抵抗边际信道攻击.

国内外蜂蜜质量标准对比研究

我国的蜂群数量、蜂蜜产量、消耗量和出口量均居世界前列,但产业水平和经济效益与发达国家相比仍存在一定的差距。本文以蜂蜜进出口贸易为切入点,对比分析了我国与主要贸易国制定的蜂蜜质量标准,找出国内外蜂蜜质量评价中指标差异。针对现状,结合我国的蜂蜜质量问题,提出健全蜂蜜质量标准的合理建议,规范国内蜂蜜市场秩序,为提高我国蜂蜜国际竞争力提供技术支撑。

金属离子对黑翅土白蚁消化代谢的影响

【目的】探究金属离子对黑翅土白蚁Odontotermes formosanus消化代谢过程的影响,挖掘黑翅土白蚁对含有金属离子的厨余垃圾和农林废弃物进行资源化处理的潜在价值。【方法】根据浓度梯度法,将含有不同质量分数Al^(3+)、Ca^(2+)、Fe^(3+)和Mg^(2+)的饵料供给黑翅土白蚁,确定黑翅土白蚁对饵料中金属离子的最大可取食质量分数。采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定黑翅土白蚁虫体内及其新建菌圃内的对应金属元素质量分数,明确饵料中Al^(3+)、Ca^(2+)、Fe^(3+)和Mg^(2+)对虫体内及新建菌圃内对应金属元素质量分数的影响。采用试剂盒法测定黑翅土白蚁虫体内及其新建菌圃内漆酶和纤维素酶的活性,确定饵料中Al^(3+)、Ca^(2+)、Fe^(3+)和Mg^(2+)对上述酶活性的影响。【结果】黑翅土白蚁对饵料中Al^(3+)、Ca^(2+)和Fe^(3+)的最大可取食质量分数均为1.00 g·kg^(-1),对饵料中Mg^(2+)的最大可取食质量分数为10.00 g·kg^(-1)。黑翅土白蚁取食含有10.00 g·kg^(-1) Mg^(2+)的饵料后,其虫体内和菌圃内都发生了Mg的富集;取食含有1.00 g·kg^(-1) Fe^(3+)的饵料后,Fe仅在菌圃内富集。取食含有1.00 g·kg^(-1) Al^(3+)的饵料,会显著提高黑翅土白蚁虫体内的漆酶活性(P<0.05);取食含有1.00 g·kg^(-1) Ca^(2+)的饵料,会显著提高黑翅土白蚁虫体内的漆酶活性(P<0.05),但会显著降低纤维素酶活性(P<0.05);取食含有1.00 g·kg^(-1) Fe^(3+)的饵料,会显著提高黑翅土白蚁虫体内的漆酶活性和菌圃中的纤维素酶活性(P<0.05),但会显著降低菌圃中的漆酶活性和黑翅土白蚁虫体内的纤维素酶活性(P<0.05);取食含有10.00 g·kg^(-1) Mg^(2+)的饵料,会显著提高黑翅土白蚁虫体内的纤维素酶活性和菌圃中的漆酶活性(P<0.05),但会显著降低菌圃中的纤维素酶活性(P<0.05)。【结论】黑翅土白蚁可取食分别含有1.00 g·kg^(-1) Al^(3+)、Ca^(2+)和Fe^(3+)的饵料和含有10.00 g·kg^(-1) Mg^(2+)的饵料,1.00 g·kg^(-1) Al^(3+)可以提高黑翅土白蚁和菌圃微生物对木质素的联合降解能力。黑翅土白蚁具有资源化处理厨余垃圾和农林废弃物的应用潜力。

齿梳式油茶花药采集器关键部件设计与试验

【目的】针对油茶花粉人工采集难度大、耗时费工、尚未实现机械化等问题,为实现油茶花粉的机械化采收,提出一种通过采集油茶花药来收集花药裂开后释放全部花粉的研究思路,设计一种油茶花药采集装置,并对其工作过程及关键部件参数进行设计与分析。【方法】基于油茶采粉与授粉农艺性状和力学特性的分析,设计一种齿梳式油茶花药采集器,并对油茶花药与齿梳分离机构相互作用过程进行力学分析,确定影响花药采摘性能的主要因素。以花药采净率、花朵损伤率为评价指标,采用单因素试验法,确定齿梳间隙、齿梳安装角度、齿梳辊转速的取值范围;并以齿梳间隙、齿梳安装角度、齿梳辊转速为试验因素,开展三因素三水平正交试验;以花药采净率、花朵损伤率为考核指标,运用Design-expert软件对试验因素进行参数优化,获得了各因素的最优参数组合。根据优化后的工作参数,进行油茶花药采摘性能试验,以采摘一朵油茶花花药的时间作为评价指标,测定齿梳式油茶花药采集器的采集效率。【结果】各因素对花药采净率影响的主次排序是齿梳辊转速、齿梳安装角度、齿梳间隙;对花朵损伤率影响的主次排序是齿梳辊转速、齿梳安装角度、齿梳间隙。综合分析选取较优参数组合为:齿梳间隙为0.59 mm,齿梳安装角度为58°,齿梳辊转速为322.23 r/min;该花药采集器采净率为97.02%,花朵损伤率为8.33%。采摘性能试验表明,齿梳式油茶花药采集器平均采集效率约为3.88 s/朵。【结论】提出的齿梳机构采摘花药的方法可行,研制的齿梳式油茶花药采集器运行稳定,满足油茶生产农艺要求,可为油茶机械化采粉技术与装备研究提供参考。

基于异步光学采样的电光频率梳时间抖动测量

电光频率梳是一种单频激光器经相位调制构造的光学频率梳,具有重复频率高、灵活可调等特点,通过精确的色散控制,电光频率梳在时域上可以输出超短脉冲激光序列,其时间抖动特性对于开展精密测量等应用十分重要.本文提出一种基于双光梳异步光学采样原理测量电光频率梳时间抖动的方案.建立了时间抖动测量的理论模型并进行数值模拟.搭建了一台重复频率为10 GHz、脉冲宽度为2.6 ps的电光频率梳,并开展了时间抖动的测量实验.测量的直方图分析表明,电光频率梳的周期抖动为3.86 fs.测量装置主体为光纤结构,且不需要高速光电探测器,有望对电光频率梳、微环频率梳等新型高重频光学频率梳时间抖动的测量与优化起到关键作用.

一种抗高温梳型两性离子聚合物降黏剂

针对深井超深井钻井中高密度水基钻井液黏度高、易高温增稠等流变性调控难题,以对苯乙烯磺酸钠盐、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、2-烯丙基-2-甲基氯化铵、烯丙基聚氧乙烯醚为单体,合成了一种抗高温梳型两性离子聚合物降黏剂ZT-1。采用红外光谱表征了降黏剂的分子结构,验证梳型两性离子聚合物合成的成功,采用热重分析表征了降黏剂的热稳定性,其分解温度达250℃。ZT-1具有良好的抗高温耐盐钙降黏分散性能,抗温240℃,可抗饱和盐,抗2%氯化钙;ZT-1加量为0.3%时,老化温度为200℃,在评价浆中的降黏率可达77.7%,在高密度(2.4 g/cm^(3))水基钻井液体系中表观黏度的降低率达33%,塑性黏度的降低率达14%,动切力降低率达67%。ZT-1性能优于阴离子降黏剂磺化丹宁以及常规线性两性离子聚合物降黏剂XY-27和ADS共聚物,这种梳型两性离子聚合物降黏剂在超高温超高密度钻井液中具有良好的应用前景。

基于双频泵浦正常色散碳化硅微环谐振腔的光频率梳设计

提出一种利用锁相双频激光泵浦正常色散碳化硅微环谐振腔产生光频率梳的方案.对绝缘体上碳化硅微环谐振腔光波导进行色散调控,实现1550 nm波段平坦正常色散优化设计.利用Lugiato-Lefever方程对锁相双频激光泵浦正常色散碳化硅微环谐振腔的光频率梳产生进行仿真,研究了泵浦失谐量改变时光频率梳产生的时域和频域演化过程.同时探究了泵浦功率、微腔波导损耗、微腔色散、双频激光功率占比、双频激光频率间隔等各项参数对光频率梳产生的影响,仿真产生的光频率梳带宽可覆盖1500—1600 nm.仿真结果有助于推动基于正常色散碳化硅微环谐振腔的1550 nm波段高重复频率宽带光频率梳的研究和应用.

花椒采收机设计与试验

为解决花椒收获过程中的摘净率低、损伤率高的问题,在现有结构基础上,基于梳刷摘果原理对采摘装置、传动装置等零部件进行设计和分析,确定了影响花椒采收机采摘效果的因素。利用ADAMS软件,以采摘装置梳刷滚筒转速、梳刷滚筒与喂入口间距、两梳刷滚筒间距为影响因素,以花椒果实未损伤摘净率为检测目标,进行响应面仿真分析试验。结果表明:梳刷滚筒转速对花椒果实未损伤摘净率影响极其显著,梳刷滚筒与喂入口间距、两梳刷滚筒间距影响比较显著。最优参数下,即梳刷滚筒转速531r/min、两梳刷滚筒间距70.6mm、梳刷滚筒与喂入口间距46.7mm时,花椒果实未损伤摘净率为96.6%。研究结果可为后续花椒采收机的研究提供参考。

基于光谱增强技术实现对532 nm波长激光频率标定

碘稳频532 nm Nd:YAG激光器在复现长度单位“米(m)”、绝对重力测量、引力波探测、精密光谱学、长度计量等领域有着重要应用,对其进行频率测量和标定对于激光器的性能评价具有重要意义.本文采用自行研制的掺Er光纤光学频率梳作为光源,对其扩谱后的1μm波段进行光谱增强并结合倍频晶体将光学频率梳输出的1.5μm波段光脉冲扩展到532 nm波段.其中掺Er光纤光学频率梳输出功率20 mW,首先经过掺Er光纤放大器将功率提到370 mW,经过脉冲压缩后脉冲宽度为45.7 fs,此后经过高非线性光纤扩谱实现光谱覆盖至1μm,输出功率为180 mW.扩谱后的1μm波段激光经过掺Yb光纤放大器放大至601 mW,经过压缩后脉冲宽度为84.6 fs,压缩后功率为420 mW.采用MgO:PPLN晶体对压缩后激光进行倍频得到155 mW的532 nm激光,倍频效率为36%.利用该系统分别对碘稳频532 nm Nd:YAG激光器输出的基频光1064 nm和倍频光532 nm进行拍频,获得了优于40 dB信噪比的拍频信号,后续进行了超过10 h的连续测量,测量结果与国际推荐值保持一致.

基于Si_(3)N_(4)微环混沌光频梳的Tbit/s并行实时物理随机数方案

本文结合片上Si_(3)N_(4)超高Q微环的混沌光频梳和高速现场可编程门阵列,提出并实验验证了一种超高速的并行实时物理随机数方案.结果表明,Si_(3)N_(4)超高Q微环实验得到的光频梳齿包含数百个信道,通过调节Si_(3)N_(4)微环的工作状态使其处于光学混沌态,从而成为性能优良的物理熵源.采用现场可编程门阵列(FPGA)板载的多位模数转换器,对滤波后频梳的光混沌信号进行离散采样量化,生成8位二进制比特流.对该比特流进行实时的自延迟异或处理,并保留4位最低有效位,实验最终实现了单信道实时速率达5 Gbits/s的合格物理随机比特流.结合实验中数目达294的混沌光频梳齿,本方案的并行实时随机数的吞吐量可望达到1.74 Tbits/s.这些结果可为实时物理随机数源提供集成、超高速的新可选方案.

氟化镁微瓶腔光频梳光谱分析及优化

氟化镁微腔光频梳具有体积小、功耗低、光谱覆盖范围广、色散可调控的优势,在光通信、中红外光谱等领域有着潜在应用前景.本文研究了氟化镁回音壁模式微瓶腔平台产生的光频梳光谱特性.为了优化氟化镁微瓶腔光频梳的光谱分布,利用有限元法迭代求解了瓶腔结构在不同曲率和轴向模式下的二阶色散及高阶色散,通过分步傅里叶法求解非线性薛定谔方程仿真了不同轴向模式激励下的光频梳光谱演变过程.结果表明,在最佳曲率半径下通过低阶轴向模式激励可以实现宽带范围的近零反常色散调谐,而高阶轴向模式将导致微瓶腔呈现弱正常色散.在低阶轴向模式下较弱的反常色散使光频梳的带宽得到展宽,证明了三阶色散和负的四阶色散可以展宽克尔孤子光频梳;在高阶轴向模式下弱正常色散抑制了克尔光频梳的产生,拉曼光频梳占主导地位.在适宜的泵浦条件下通过调控微瓶腔的轴向模式可以实现克尔孤子光频梳和拉曼光频梳的选择性激发.本文工作的开展将为氟化镁微腔色散设计及宽带克尔孤子光频梳、拉曼光频梳实验调控提供指导意义.

精梳工艺对混色纱纤维径向混和效果的影响

为探讨精梳工艺对涤粘混色纱纤维径向混和效果的影响,基于纤维成像法观察混纺纱横截面的纤维分布情况,建立了混纺纱横截面纤维径向混和不匀率的数学模型,采用涤粘普梳混纺工艺路线与涤粘精梳混纺工艺路线分别制备两种混纺比的涤粘混色纱,计算两种混色纱的纤维径向混和不匀率。结果表明:涤粘精梳混纺工艺能够显著提高纱线截面内的纤维径向混和均匀性;与涤粘普梳纱相比,涤/粘混纺比为65/35时,涤粘精梳混纺纱的涤纶径向混和不匀率降幅为42.88%,粘胶纤维径向混和不匀率降幅为41.91%;涤/粘混纺比为50/50时,涤粘精梳混纺纱的涤纶、粘胶纤维径向混和不匀率降幅分别为40.57%、39.55%;涤粘普梳混纺工艺对纤维混纺比的控制更加准确。

双光梳测距技术的空间应用与试验设计

双光梳测距技术具有测量精度高、测速快、非模糊范围大和可现场溯源的优势,在航天工程中具有广阔的应用前景,如航天器交会对接、卫星编队飞行、大型展开机构定位等。在货运飞船与空间站交会对接的任务场景下,提出了一种双光梳高精度测距技术空间应用与试验方案,介绍了双光梳测距技术的基本原理,对试验系统进行了架构设计,实现在400 m范围内对空间动态合作目标优于100μm测距精度、1 kHz测量带宽。进一步针对测距系统的关键参数进行了设计与仿真,对系统的空间环境适应性进行了分析,结果表明测距系统最大可实现19.5 m/s相对运动速度下的高精度测距,满足搭载任务场景需求,为下一步双光梳测距技术的在轨试验与航天工程化应用提供了技术参考。

物理法引导香蕉低位抽蕾与定向挂果对香蕉果实性状的影响

香蕉具有的高位、不定向抽蕾挂果特性,不利于生产中蕉果的抹花、断蕾、喷药、套袋和采收,也易遭受风害,导致蕉株倒伏、折断。为了降低香蕉果实的高度位置,使其定向挂果,方便管理,实现机械化收获,提高田间管理效率,本研究采用物理法在蕉株假茎一侧特定位置开导蕾口引导香蕉低位抽蕾和定向挂果,研究物理法导蕾与自然抽蕾蕉株果实的果实性状差异。结果表明:物理法开导蕾口能引导蕉株低位抽蕾和定向挂果。物理引导形成的果实性状如下:平均单株果实产量为21.47kg(变幅为11.5~36.15kg),每株平均果指数为187个(变幅为137~237个),单果指平均重120 g(变幅为60~190 g),果轴平均长度为41.82 cm(变幅为27.5~54.5 cm),果指外弧平均长度为17.88 cm(变幅为13.4~21.1 cm),果指的平均周长为11.44 cm(变幅为9.6~12.9 cm)。相关和回归分析表明,导蕾蕉株的单株果重、果轴长度和果指长度分别与开口日至抽穗果日的时间间隔呈显著负相关。与自然抽穗果穗相比,单株平均果穗重、平均单株果指总数和平均每梳果指数无显著差异,果指粗度和果指弯曲度均无显著差异;果轴重和单果指重均表现显著性差异;果轴长度、果指长度和果梳平均间距均显著缩短变密,且差异均达极显著水平。

梳形聚合物comb-1的溶液性能对比评价

通过试验手段对比梳形聚合物comb-1与大庆生产的HPAM和日本三菱公司生产的MO-4000的溶液性能,主要包括溶液粘度对浓度的依赖性、剪切稳定性、抗盐性及粘度对温度依赖性的研究。试验表明,在实验室自来水中和在盐水中梳形聚合物comb-1的剪切稳定性、抗盐性、高温粘度保持性等均优于日本MO-4000和大庆HPAM。日本MO-4000和大庆HPAM是目前油田应用的较为普遍的聚丙烯酰胺,通过对比研究,说明梳形聚合物comb-1的性能更好,有望成为聚丙烯酰胺的替代品。