張大鵬，梁志國，張志權(quán)，韓海年，嚴(yán)家驊，魏志義

(1.中航工業(yè)北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095;2.中國科學(xué)院物理研究所，北京100080)

0 引言

127I2飽和吸收穩(wěn)頻的633nm He-Ne 激光波長為復(fù)現(xiàn)米定義的標(biāo)準(zhǔn)［1］，目前我國現(xiàn)行有效的633nm 長度基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)裝置分別保存在三個(gè)單位。其中，基準(zhǔn)裝置(編號(hào)為D1)保存在中國計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)，副基準(zhǔn)裝置分別保存在中航工業(yè)北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所(CIMM)和中國測(cè)試技術(shù)研究院(NIMTT)，其編號(hào)分別為N0.02 和NIMTT-1［2］。為了驗(yàn)證波長基準(zhǔn)與副基準(zhǔn)裝置運(yùn)行狀況，國家質(zhì)檢總局于2006年組織開展了對(duì)633 nm 激光波長基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)的量值比對(duì)，此次基準(zhǔn)與副基準(zhǔn)之間的比對(duì)在國內(nèi)尚屬首次［3］。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光頻率梳建立了微波頻率與光波頻率的直接鏈接，為解決光學(xué)頻率直接絕對(duì)測(cè)量提供了技術(shù)手段［4-5］。鑒于此，本研究小組研制了重復(fù)頻率為350 MHz、波長范圍為600 ～950 nm 波段、各光頻齒頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘的“單塊”結(jié)構(gòu)鈦寶石飛秒激光頻率梳，并利用該飛秒激光頻率梳對(duì)編號(hào)為NO.02 的波長副基準(zhǔn)裝置進(jìn)行了光頻絕對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

1 飛秒激光頻率梳測(cè)量光頻基本原理

圖1 給出了飛秒激光脈沖在時(shí)、頻域中的分布特性。如圖1(a)所示，飛秒激光脈沖在時(shí)域中表現(xiàn)為等時(shí)間間隔為τ 的巨脈沖序列，τ 為激光脈沖在諧振腔內(nèi)往返一次的時(shí)間，有

式中:lc為激光器腔長;vg為腔內(nèi)群速度。

由于諧振腔內(nèi)色散的存在會(huì)引起激光脈沖群速度與相速度的不同，這將導(dǎo)致激光脈沖在腔內(nèi)每往返一次后，載波與包絡(luò)之間產(chǎn)生相位的差值，稱為載波包絡(luò)相移Δφ，有

式中:vp為腔內(nèi)相速度;ωc為載波頻率。如圖1(b)所示，飛秒激光脈沖在頻域中表現(xiàn)為等頻率間隔為frep的梳狀光頻譜線，frep為重復(fù)頻率，frep=1/τ。fceo為載波包絡(luò)相移頻率，對(duì)應(yīng)時(shí)域中的載波包絡(luò)相移Δφ，在頻域中表現(xiàn)為飛秒激光脈沖梳狀光頻譜線相對(duì)于零頻整體向右偏移的頻率量。總之，飛秒激光脈沖在頻域中表現(xiàn)為等頻率間隔的孤立的梳狀光頻齒序列，第N 條光頻齒的頻率值fN表達(dá)式為fN=Nfrep+fceo。本實(shí)驗(yàn)將600 ～950 nm 波段鈦寶石飛秒激光脈沖的frep與fceo信號(hào)參考至氫原子鐘10 MHz 參考頻率標(biāo)準(zhǔn)上，因此飛秒激光頻率梳每條光頻齒的頻率穩(wěn)定性同步于氫原子鐘［6-8］。

圖1 飛秒激光脈沖在時(shí)、頻域中的分布特性

如圖2所示，在利用飛秒激光頻率梳測(cè)量待測(cè)光頻fx時(shí)，飛秒激光頻率梳中頻率值最接近于fx的光頻齒fN與其相干拍頻，產(chǎn)生的頻率差值為fbeat，因此待測(cè)光頻fx可以表示為fx=fN+fbeat［9-11］，實(shí)際進(jìn)行光頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，frep，fceo，fbeat三個(gè)頻率值均由光電探測(cè)器給出，均為標(biāo)量值，只給出數(shù)值大小，待測(cè)光頻fx的表達(dá)式為fx=Nfrep±fceo±fbet，在每次進(jìn)行光頻測(cè)量時(shí)，式中正負(fù)號(hào)的選擇由frep，fceo，fbeat的變化規(guī)律給出判定。

圖2 頻域中光頻測(cè)量拍頻示意圖

2 光頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 為利用飛秒激光頻率梳測(cè)量編號(hào)為NO.02 的波長副基準(zhǔn)裝置絕對(duì)光頻值所用實(shí)驗(yàn)裝置，圖中1 為飛秒激光頻率梳系統(tǒng)［12］，2 為待測(cè)光頻NO.02 系統(tǒng)，3 為脈寬壓縮系統(tǒng)，4 為光子晶體光纖擴(kuò)譜裝置，5 為專用拍頻裝置［13］。

圖3 光頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

飛秒激光頻率梳的平均輸出功率為50 mW，重復(fù)頻率為350 MHz，單根光頻梳齒的平均功率為95 nW，光譜范圍為600 ～950 nm，圖4 展示的為該光脈沖寬帶光譜分布對(duì)應(yīng)情況。其中圖4(a)為光譜儀所測(cè)600 ～950 nm飛秒激光頻率梳光譜曲線圖，圖4(b)為經(jīng)衍射光柵分光后光譜空間分布照片，其與圖4(a)波段分布相對(duì)應(yīng)，最右側(cè)為紅光波段，最左側(cè)為綠光波段。

圖4 飛秒激光脈沖寬帶光譜分布圖

待測(cè)碘穩(wěn)頻633 nm 激光器參與拍頻的功率為80 μW，兩束參與拍頻的光源經(jīng)專用拍頻裝置5 優(yōu)化后得到拍頻信號(hào)fbeat的信噪比大于30 dB，以滿足頻率計(jì)數(shù)器的強(qiáng)度要求。三個(gè)頻率量值的讀取由3 臺(tái)同時(shí)參考至氫原子鐘10 MHz 參考頻率標(biāo)準(zhǔn)上的頻率計(jì)數(shù)器完成，計(jì)數(shù)時(shí)采用GPIB-USB 數(shù)據(jù)線將三臺(tái)計(jì)數(shù)器同步連接以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 光頻測(cè)量結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了NO.02 激光器的c 峰、d 峰、e峰、g 峰、h 峰的絕對(duì)光頻值，表1 給出各峰值的測(cè)量結(jié)果，各峰值光頻測(cè)量結(jié)果相對(duì)偏差為10-11量級(jí)。

表1 各峰值光頻測(cè)量結(jié)果

以g 峰為例，其光頻測(cè)量時(shí)間為1391 s，期間三臺(tái)頻率計(jì)數(shù)器同步記錄frep，fceo，fbeat三個(gè)頻率值，得到其均值分別為

經(jīng)測(cè)算，與g 峰光頻進(jìn)行拍頻的梳齒序列號(hào)為N=1355223，又由頻率測(cè)量前frep，fceo，fbeat的變化規(guī)律，得到待測(cè)光頻絕對(duì)頻率值計(jì)算公式為

將公式(3)中各頻率值代入(4)式，最終計(jì)算得到g 峰實(shí)測(cè)光頻絕對(duì)值為

f633-g=473612340.4103 MHz

經(jīng)計(jì)算，本次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差為

s633-g=6.6359×10-2MHz

相對(duì)于理論值的差值為Δf633=0.0103 MHz，相對(duì)于理論值的相對(duì)偏差為Δf633/ f633=2.17×10-11。

對(duì)于測(cè)量期間各頻率值的頻率穩(wěn)定度由不同門時(shí)間的阿倫偏差給出，本次測(cè)量頻率計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)間隔為1 s，圖5 為1，10，100 s 門時(shí)間對(duì)應(yīng)的阿倫偏差。

由圖分析，frep頻率值1 s 及10 s 門時(shí)間的阿倫偏差為10-13量級(jí)，100 s 時(shí)阿倫偏差為10-14量級(jí)，同步于氫原子鐘。待測(cè)對(duì)象2012年檢定結(jié)果(由國家波長基準(zhǔn)裝置D1 完成檢定)中頻率穩(wěn)定度由圖6給出。

圖5 frep，fceo，fbeat阿倫偏差

圖6 待測(cè)光頻阿倫偏差

在本次光頻絕對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，作為光頻測(cè)量工具的飛秒激光頻率梳，其頻齒頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘，優(yōu)于待測(cè)對(duì)象。待測(cè)光頻實(shí)測(cè)值相對(duì)參考值的相對(duì)偏差在10-11量級(jí)，且2012年檢定結(jié)果中待測(cè)光頻頻率穩(wěn)定度優(yōu)于本次測(cè)量。這是由于對(duì)于一個(gè)碘穩(wěn)定的He-Ne 激光系統(tǒng)而言，激光頻率的調(diào)制寬度、碘室的冷指溫度以及腔內(nèi)單程功率的改變都會(huì)引起輸出激光頻率的變化。這三個(gè)參數(shù)分別被稱為調(diào)制位移參數(shù)、溫度位移參數(shù)和功率位移參數(shù)。在前文所述國內(nèi)比對(duì)及由國家波長基準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定溯源時(shí)，這三個(gè)參數(shù)都調(diào)節(jié)到國際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)推薦的技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行條件。本次測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)待測(cè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)處于為完成其對(duì)更低頻率穩(wěn)定度和波長不確定度的熱穩(wěn)頻激光器檢定而設(shè)定的參數(shù)狀態(tài)，其偏離最佳參數(shù)。

4 結(jié)論與展望

本實(shí)驗(yàn)利用重復(fù)頻率為350 MHz、波長范圍為600～950 nm 波段的“單塊”結(jié)構(gòu)鈦寶石飛秒激光頻率梳，對(duì)編號(hào)為NO.02 的633 nm 波長國家副基準(zhǔn)裝置進(jìn)行了初步的光頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到了5 個(gè)峰的測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了用飛秒激光頻率梳直接進(jìn)行光頻絕對(duì)測(cè)量的可行性，為進(jìn)一步研究下一代光頻標(biāo)準(zhǔn)—— “光鐘”提供了技術(shù)積累。另一方面，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與國際推薦值存在10 kHz 量級(jí)的頻率偏差值，并且光頻測(cè)量時(shí)長小于飛秒激光頻率梳自身穩(wěn)定時(shí)長［12］，這是由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫濕度沒有得到精確控制及副基準(zhǔn)裝置未工作于國際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)推薦的技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行條件。鑒于此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究將在溫濕度環(huán)境控制理想的超凈間中進(jìn)行，副基準(zhǔn)裝置的工作狀態(tài)將嚴(yán)格按照國際推薦參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以期得到更佳的測(cè)量結(jié)果。

致謝:在利用飛秒激光頻率梳進(jìn)行光頻測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究中，華東師范大學(xué)馬龍生老師多次給出建設(shè)性方案，并親臨本實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，北京工業(yè)大學(xué)李港老師和中國計(jì)量科學(xué)研究院錢進(jìn)老師也多次給予幫助，在此表示感謝。

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