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.

铁路时间同步网溯源及同步性能研究

铁路时间同步网是为铁路各通信子系统提供精确时间的重要支撑系统,其运行性能非常重要。针对铁路时间同步网及其3层固定结构以及移动列车时间同步节点,分析铁路时间同步网4种不同的溯源参考,并基于经过校准的全球导航卫星系统(GNSS)时间频率传递装置,设计了铁路时间同步网溯源监测方法,评估了铁路时间同步网中不同溯源源头可能造成的时间同步性能差异。针对铁路时间同步网现状,测量分析其现有性能能否对未来5G-R提供有效支撑具有重要意义。

基于NIM-Sr1光晶格钟驾驭氢钟产生本地时标的研究

光钟在生成高性能原子时标方面有很大的潜力。本文介绍了以中国计量科学研究院(NIM)的NIM-Sr1光晶格钟为参考生成本地时标的基本思路,评估了实验室目前用作飞轮振荡器的HM57氢钟的噪声参数。针对NIM-Sr1光晶格钟作为基准钟长期间歇运行时的运行率和时间分布,设计了对测量数据的分段处理方式。通过对2022年9月和10月NIM-Sr1光晶格钟与HM57氢钟比对数据的后处理,生成了光钟驾驭的纸面时标TS(P),其在60天内相对于TT(BIPM22)的最大时间偏差为0.7 ns,验证了驾驭方法的可靠性。搭建了以NIM-Sr1光晶格钟为参考驾驭HM57氢钟生成本地实时物理时标的实验系统,并评估了2023年4月生成的实时物理时标TS(R)的性能,其在30天内相对于UTC的最大时间偏差为0.89 ns。

用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳

近年来随着光纤制造技术和飞秒激光技术的成熟,以掺铒(Er)光纤光学频率梳为代表的频率梳技术,逐步突破了光学频率测量领域,在长度测量、精密光谱分析、超低相位噪声微波频率产生、精密时间频率传递、温度测量等领域发挥出越来越重要的作用,已成为许多高端科研领域的基础性工具。但飞秒光学频率梳所解决的重要问题是对激光频率进行测量。本文主要面向激光频率参数测量的需求,研制基于掺Er光纤飞秒激光器的光学频率梳,在实现光学频率梳稳定运转的前提下,通过非线性光学频率变换技术,实现光谱范围从掺Er光纤光学频率梳的中心波长向各个待测激光波长的转换,并完成与多个不同波长激光的拍频信号探测。目前已验证的飞秒光梳可测频率范围为500~2000 nm;频率稳定度和准确度为10^(-16)量级;线宽为Hz量级。该指标满足了激光频率特性参数测量的需求,为激光绝对频率、频率漂移、线宽等参数的测量提供了基础性的测量工具。

NIM-Sr2锶原子光晶格钟物理系统研究

锶原子光晶格钟在基础物理研究和时间频率精密测量领域中占有重要的地位。中国计量科学研究院在第1套锶原子光晶格钟NIM-Sr1的基础上,开展了进一步提升光钟性能的研究,研制出了第2套锶原子光晶格钟NIM-Sr2。NIM-Sr2的物理系统在量子参考体系制备、钟激光探寻及系统频移评估等方面进行了重新设计。在原子炉和磁光阱之间新增真空差分结构,使原子炉的运行对磁光阱区域真空压力的影响降低到1×10^(-8) Pa;将塞曼减速器中的通电线圈替换为永磁铁,优化了水冷反亥姆霍兹线圈的缠绕方式,并向外延伸塞曼减速器通光窗口,把磁光阱区域环境温度的不均匀性降低到了0.166 K。系统频移评估表明,这些物理系统的改进显著减小了NIM-Sr2的系统频移不确定度,达到了7.2×10^(-18)。

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.

秒定义变革及我国时间频率基准的发展和应对

国际单位制的量子化变革使得除了物质的量的定义外,其他国际单位的定义都与时间单位建立了直接或间接的联系。高准确度的时间频率基准在国民经济建设、国防建设和科学研究中发挥着重要的作用。主要介绍了时间单位的定义从天文秒到原子秒的发展历程以及关于秒定义变革的讨论和对原子钟的要求,并介绍了我国国家计量院在时间频率基准方面的研究工作及应对措施。

全保偏掺Er光纤激光器重复频率锁定技术的研究

介绍了δ腔型SESAM启动锁模的全保偏掺Er光纤激光器重复频率锁定技术的原理和应用背景,并设计了一套可以快速实现SESAM锁模全保偏掺Er光纤激光器重复频率锁定的实验装置,最终将激光器的重复频率锁定到氢原子钟上,使得SESAM锁模全保偏掺Er光纤激光器的重复频率具有和氢原子钟同样的稳定度;对锁定前和锁定后重复频率进行了一定时长的数据采集,使用计算重复频率Allan方差的方法对全保偏掺Er光纤激光器的重复频率稳定度进行了量化,并对激光器锁定前后的重复频率进行了对比。通过比较可知,锁定后重复频率的稳定度比锁定前至少提高四个数量级。

100 km光纤链路中小于100 fs分辨力的双光梳钟差测量实验研究

为了解决远距离光纤链路两端测量钟差限制在ps量级的问题,运用线性光学采样法测量钟差的基本理论,利用双光梳线性光学采样法完成了100 km光纤链路两端的钟差测量实验研究。通过梳齿压缩和色散补偿技术实现了光梳梳齿线宽和远距离光纤链路净色散量的优化,突破了高精度读取干涉花样中心时刻的难点,最终实现了高分辨力的钟差测量。通过时间间隔计数器与线性光学采样法测量光纤链路时延对比实验和100 km光纤链路钟差测量实验证明:基于线性光学采样法测量的钟差小于100 fs,能够有效满足高精度时间同步系统的要求。本研究为促进精密导航、高速通信和精准授时等领域的发展起到重要作用。

利用非锁定飞秒激光实现太赫兹频率的精密测量

频率是电磁波最重要的一个基本物理量,随着THz技术的发展,在光源研制、宽带通信、超精细光谱测量等领域都对THz频率的高精度侧量提出了要求.传统的Fabry-Perot干涉法与外差探测法难以实现THz频率的高精度测量,频率梳方法虽然测量精度很高,但测量系统复杂.本文提出一种利用重复频率自由漂移的飞秒激光器实现太赫兹频率精密测量的新方法.通过对非锁定的飞秒激光器的重复频率和THz拍频频率进行同时连续采集与计算,得到被测THz频率,测量精度可以达到10^(-10)量级无需对飞秒激光重复频率进行复杂的锁定控制,测量系统大大简化.

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.

重频可调谐U波段被动谐波锁模光纤激光器

U波段(1 625~1 675 nm)高重频锁模光纤激光器在甲烷气体检测、扩展通信波段、光子显微镜、眼部手术等领域有广泛的应用前景。基于被动谐波锁模(Harmonic Mode-Locking, HML)的孤子自频移(Soliton Self-Frequency Shift, SSFS)技术是一种实现高重频U波段激光输出的有效方式。首先搭建了基于非线性偏振旋转(Nonlinear Polarization Rotation, NPR)的被动HML光纤激光器,并以此为种子源,通过级联的放大系统将输出功率最高放大至1.7 W。而后将放大的脉冲输入到一段反常色散的色散位移光纤(Dispersion-Shifted Fiber, DSF)中,利用SSFS效应将其中心波长频移至U波段。研究了其中三个重复频率(722.0、941.7、1 224.2 MHz)状态,系统地探究了脉冲重复频率对SSFS的影响。首次使用NPR被动HML光纤激光器作为SSFS效应种子源,实现了波长可覆盖整个U波段范围的GHz脉冲输出。

相位锁定至超窄线宽激光的高相干性双光梳研究

研究并实现了一种相位锁定至超窄线宽激光的双光梳系统。实验通过将两台重复频率约为200MHz、重复频率差约为17 kHz的掺铒锁模激光器的对应梳齿,同时分别锁定到两台不同波长(1542 nm和1560 nm)的窄线宽连续激光器上,实现了相位相干且稳定度高的双光梳。锁定后单台光梳的梳齿线宽均低于5Hz(受限测试条件),两台光梳的相对线宽小于0.35Hz。该双光梳系统对于高精度光谱分析、时频传递,尤其是绝对距离测量等领域具有重要的应用价值。

基于光纤双向时间传递实时驯服铷钟的远程时间溯源

为了提高铷原子钟的远程时间溯源性能,在中国计量科学研究院TWOTFT链路的基础上,实施了对铷原子钟的高精密准实时驯服实验,驯服间隔分别为16,5,1 min,实现了基于TWOTFT的远程时间溯源原理验证。实验结果表明:在远程时间溯源中,TWOTFT相比GNSS时间频率传递效果更优,且1 min TWOTFT远程时间溯源效果最优,98.67%的时差绝对值在0.5 ns内,时间稳定度和频率稳定度分别为2.5×10^(-11)s·d^(-1)和5.0×10^(-16)d^(-1)。

基于光频梳的乙炔稳频1542 nm激光波长测量研究

利用光频梳对稳频激光波长进行测量是建立基于光频梳的波长基标准的必经程序。为了建立基于光频梳的波长标准,并为开展激光波长校准工作提供技术准备,利用自研光纤光频梳对乙炔稳频1542 nm激光波长进行了测量。利用光频梳产生参考激光与待测激光差拍,通过简单的代数关系获得了乙炔稳频激光的绝对频率和真空波长,并与相应的国际推荐值进行了对比。实测获得的乙炔稳频激光的真空波长值为1542.38371235742 nm,在CIPM给定的不确定度范围内,秒稳定度为4.13×10^(-13)。两台不同的光频梳对乙炔稳频激光波长的测量结果具有高度一致性,进一步证明了光频梳对激光波长的测量准确性。本研究对于顺应国际长度基标准发展趋势,加速光频梳在激光波长测量领域的应用进程具有重要意义。

基于电光晶体马赫-曾德干涉仪的载波包络偏移频率调节方法

基于电光晶体马赫-曾德(M-Z)干涉仪的载波包络相位偏移频率(carrier-envelop offset frequency,f_(0))调节方法是一种新颖的f_(0)调节方法.该方法通过改变脉冲包络而不改变载波频率实现对f_(0)信号的调节.本文对该方法所涉及的偏振控制装置进行了仿真,分析了其中波片光轴偏差对输出激光偏振方向和偏振度的影响.在实验上提出了一种光轴校准方法以减小波片光轴偏差带来的影响,并对比了抽运电流调节方法和基于电光晶体M-Z干涉仪的f_(0)调节方法对f_(0)信号和光梳与激光拍频信号(beat note,f_(b))的影响.实验结果表明改变抽运电流,在f_(0)调节量为9 MHz的情况下,对f_(b)影响为7 MHz.而在相同f_(0)调节量下,电光晶体M-Z干涉仪f_(0)调节方法对f_(b)的影响为0.2 MHz,仅为抽运电流对f_(b)影响的1/35,从而验证了基于电光晶体M-Z干涉仪的f_(0)调节方法可以有效降低对f_(b)的干扰,为利用f_(b)锁定重复频率(repetition rate,f_(r)),进而实现光梳梳齿线宽的压窄提供了一种技术手段.

基于实时性和数据使用率改进的CGGTTS算法研究

对GNSS时间频率传递数据标准格式CGGTTS进行改进,包括:将数据周期内全部测量数据用于计算时差值,提高测量数据使用率;为满足时间传递用户对于数据实时性的更高要求,缩短CGGTTS数据周期以提高数据实时性。实验结果表明将数据使用率提高到100%后,可以降低比对结果噪声,噪声性能最大可改善6%。当将数据间隔缩短至5 min后,数据实时性最大提高至69%,噪声性能恶化17%以上。分析不同间隔文件的实时性、标准差、数据量及运算量情况,得到当数据间隔在8至13 min时,改进的CGGTTS算法共钟差实验噪声水平保持在(0.70~0.80)ns,长基线实验噪声水平保持在(0.75~0.83)ns,是一种折中选择。

国家重力计量参考网的初步建立研究

重力加速度的计量有着非常重要的作用,不仅体现在计量科学和防震减灾等基础研究领域,还体现在压力、测力、衡器和大地测量等专业的实际应用领域。2016—2020年,中国计量科学研究院承担并实施了"重力计量专题服务"项目,项目组远赴西藏、新疆和香港等地区,顺利完成了50余个站点重力加速度的量值传递,初步建立了国家重力计量参考网。以后将进一步完善国家重力计量参考网。

构建中国准确独立的时间频率基准

时间单位秒是7个基本单位之一。时间频率的精密测量不仅可以验证前沿理论，也是卫星导航定位的技术基础。时频系统是现代国家的基础设施之一。导航精度的提高对时间频率提出了越来越高的要求。现行秒定义基于铯原子的基态能级跃迁频率。

22 W,240 fs高功率中红外飞秒光学频率梳

中红外飞秒光学频率梳在天文学、药物检测、生物化学、大气检测和材料科学等领域中有着广阔的应用前景。报道了一个高功率中红外飞秒光学频率梳系统,该系统主要由掺铒光纤飞秒光学频率梳、超连续谱产生装置、双包层掺铥光纤放大器和基于透射式衍射光栅对的压缩器四部分构成。掺铒光纤光学频率梳输出平均功率为350 mW、中心波长为1565 nm、重复频率为198 MHz、脉冲宽度为55 fs的飞秒激光,并将其注入到一段正色散高非线性光纤中,产生1100~2200 nm超连续光谱。超连续光通过由掺铥光纤构成的自泵浦放大器,产生中心波长为1925 nm、平均功率为50 mW的飞秒脉冲。将此脉冲作为双包层掺铥光纤放大器的种子源,功率被放大到36.07 W,压缩后得到平均功率为22.72 W、脉冲宽度为240 fs的飞秒激光脉冲输出。