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      鐳屏科技:中科院物理所在摻鐿光纖光學頻率梳研究中取得進展

      時間:2017-04-17人氣: 作者: 中國激光眼鏡信息

      OFweek激光網訊:精密計量是現代科學技術發展的重要基礎,高精度的時間頻率標準不僅是物理學的前沿研究內容之一,也是目前最精確的計量單位。光學頻率梳作為鏈接微波頻率標準與光學頻率標準的核心技術,自1999年發明以來,極大地推動了精密計量科學的革命性進展。作為“超快”與“超穩”特性的結合,飛秒光學頻率梳(以下簡稱“光梳”)融“超寬的光譜”與“超穩的光頻”于一身,經歷近二十年的發展,已從需要在特殊實驗室精心呵護的“嬰兒”,成長為可在眾多領域盡顯身手的“超人”,為光學原子鐘(光鐘)、時頻計量、空間遠距離精密測距、地外天體探測、超分辨光譜學、阿秒脈沖產生等前沿方向的開拓與研究提供了強有力的工具。隨著目前光鐘的穩定度達到10-18量級,作為計時和傳遞比對的光梳穩定度也同樣要求優于10-18,并且相噪線寬小于1Hz,因此發展高穩定度的光梳,是實現高精度光鐘的重要保證。摻鐿光纖激光器由于具有效率高、光譜寬、結構緊湊、運行穩定等優良特性,近年來已成為飛秒光梳研究及產品化的主流方案之一。

      由于光梳融合了超快激光及時頻計量兩個領域的共同前沿內容,中國科學院物理研究所計量測試高技術聯合實驗室早在2001年就開展了光梳的研究,在中科院及基金委、科技部有關項目的支持下,他們以自己研制的飛秒鈦寶石激光為基礎,先后研制成功基于f-2f結構及0-f結構的光梳,其中后者通過技術上的創新,得到了主要指標優于其他光梳公開報道的結果。最近該聯合實驗室暨L07組通過進一步將摻鐿飛秒光纖光梳的重復頻率frep及載波包絡相移頻率fceo分別鎖定到超穩激光參考源,測得了秒穩為2×10-18/s(圖1)的頻率穩定性結果,相比鎖定至射頻源的傳統方案,頻率穩定度提高了5~6個數量級。

      為了開展該項研究,首先他們利用Pound-Drever-Hall技術將一臺波長為972 nm的連續波半導體激光器鎖定至精細度大于20萬的超穩F-P腔上,通過不斷優化實驗,實現了鎖定時長超過一個月的窄線寬超穩運行。與此同時,他們在將飛秒摻鐿光纖激光放大并展寬光譜到大于一個倍頻程的基礎上,采用標準的f-2f自參考技術拍頻得到了信噪比為40 dB(300 kHz分辨率)的fceo信號,并結合鎖相環技術(PLL)成功將該fceo信號鎖定至20 MHz的射頻參考源,在1 秒的門時間下,其阿倫方差為1.2×10-17。最后通過將摻鐿飛秒光纖光梳超連續譜中的972nm光譜成分與超穩半導體激光的972 nm連續波長相干外差拍頻,并利用PLL技術將得到的拍頻信號 fbeat(圖2a)鎖定,在3小時的連續運行時間內測得鎖定后的fbeat頻率偏移量的均方根值為575 μHz(圖2b),對應環內頻率不穩定度為2×10-18/(sqrt{τ})(圖2c)。綜合已有文獻報道,該結果是迄今摻鐿光纖光梳所得到的最高頻率穩定性結果,相關結果發表在《光學快報》(Optics Express,24(25)28993(2016))上。

      該項研究獲得了科技部“973”項目(2012CB821304)及國家自然科學基金項目(批準號11674036, 11078022 和 61378040)的支持。

      圖1.超穩摻鐿光纖光學頻率梳整體裝置示意圖

      圖2. a) 在300 kHz的分辨率下的fbeat信號;b) 鎖定后的fbeat頻率漂移;c) 阿倫方差

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