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。

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。

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。

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.

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。

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。

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。

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.

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。

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)。

基于频率梳的太赫兹频率精密测量方法研究

利用光纤飞秒激光器与光纤耦合型太赫兹光电导天线,构建了一套全光纤太赫兹频率梳系统。基于锁相技术实现了对频率梳重复频率信号的高稳定度锁定,在取样时间为100 s时锁定精度达到3.3×10-13,并获得了信噪比优于50 d B的太赫兹拍频信号。基于频率梳测试方法实现了太赫兹频率的高精度测量,测量不确定度为5×10^(-11)。

掺Er光纤飞秒激光器中高信噪比载波包络位相偏移频率获取的实验研究

在实验上分析了掺Er光纤光学频率梳中激光器与一级放大器之间光纤长度、光纤扰动以及放大器抽运功率对倍频程光谱和载波包络位相偏移频率(fo)信噪比的影响.通过系统优化,实现了40 dB信噪比的fo输出,为fo的长期锁定和光纤光学频率梳的实现提供了技术保障.

长时间精密锁定的掺Er光纤飞秒光学频率梳

自行研制了基于掺Er光纤飞秒激光器的光学频率梳并实现了重复频率fr信号和载波包络偏移频率(Carrier-envelopeoffset,fo)信号的精密锁定,锁定后的fr信号和fo信号的频率抖动量的标准偏差分别为0.515 mHz和93.13mHz.

可时序控制的激光功率稳定系统

在锶原子光晶格钟实验中,为了应对多变的实验环境和复杂的实验需求,使得某些光路中的激光不仅能够保证功率稳定,还可以进行时序性调控,采用了声光调制的方法,基于声光晶体的衍射效率随加载于其上的射频功率变化而变化这一原理,建立了一套反馈控制系统,实现了激光功率的主动稳定以及功率设定值的时序性可控。结果表明,在该系统中激光会根据时序控制信号稳定地工作在控制范围内的任意功率强度上,与无功率稳定的状态相比,激光功率的稳定度从10-2量级提高到了10-4量级。该系统的特点在于能够对功率进行稳定的时序控制。

应用于铯喷泉钟的磁屏蔽系统的设计

高质量磁屏蔽系统是铯喷泉钟的重要部件之一。首先给出评定磁屏蔽效果的3个指标，即磁场均匀区长度、磁场均匀区起点位置和磁屏蔽效率。在此基础上，讨论了利用有限元计算3层磁屏蔽系统的层间径向间距、轴向间距、端盖孔套管长度和端盖连接方式对磁屏蔽的影响，给出了相应的优化参数，并对比了按优化参数设计的3层磁屏蔽与原有4层磁屏蔽系统用有限元计算的磁屏蔽效果。有限元计算结果为中国计量科学研究院新铯喷泉钟磁屏蔽系统的技术设计提供了理论指导。

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。

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.