張大鵬，梁志國(guó)，張志權(quán)，韓海年

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

0 引言

光頻測(cè)量對(duì)科學(xué)研究和工程技術(shù)有著重要作用，光頻測(cè)量結(jié)合穩(wěn)頻激光技術(shù)可以將目前幾何量計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并將最終統(tǒng)一長(zhǎng)度和頻率計(jì)量基準(zhǔn)［1～2］。飛秒激光頻率梳技術(shù)的引入使得光頻測(cè)量在各國(guó)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化研究方面取得革命性的進(jìn)展，尤其是在利用光纖飛秒激光頻率梳來(lái)測(cè)量光頻方面。其中，日本計(jì)量院 (NMIJ)的科學(xué)家Hajime Inaba利用摻餌光纖飛秒激光頻率梳對(duì)532 nm碘穩(wěn)頻Nd:YAG激光器進(jìn)行了超過(guò)一周的連續(xù)測(cè)量［3］。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的孟飛、方占軍等人利用商品化的飛秒激光頻率梳系統(tǒng)也進(jìn)行了“數(shù)天”級(jí)長(zhǎng)時(shí)間的光頻絕對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在利用鈦寶石飛秒激光頻率梳測(cè)量633 nm波長(zhǎng)基準(zhǔn)裝置方面文獻(xiàn)報(bào)道較少，其中方占軍研究小組利用鈦寶石飛秒激光頻率梳針對(duì)633 nm 波長(zhǎng)國(guó)家基準(zhǔn)裝置所進(jìn)行的光頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)持續(xù)測(cè)量時(shí)間為40 min［4］。本文所進(jìn)行的光頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)是采用鈦寶石飛秒激光頻率梳系統(tǒng)針對(duì)中航工業(yè)計(jì)量所保有的現(xiàn)行有效的633 nm波長(zhǎng)國(guó)家副基準(zhǔn)裝置進(jìn)行，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的拍頻裝置使得光頻測(cè)量時(shí)間提高到1 h以上。

在利用飛秒激光頻率梳測(cè)量光頻時(shí)，通過(guò)待測(cè)光頻與飛秒激光頻率梳中與之頻率值接近的第N條光頻梳齒fN進(jìn)行拍頻，獲取二者頻率差值fbeat，在同時(shí)讀取飛秒激光頻率梳的重復(fù)頻率frep、載波包絡(luò)相移頻率fceo及飛秒激光頻率梳與待測(cè)光頻間拍頻信號(hào)的頻率fbeat后，待測(cè)光頻的頻率值由公式fx=Nfrep± fceo± fbeat計(jì)算得出［5-6］，式中加減關(guān)系在飛秒激光頻率梳鎖定時(shí)判斷得到。

光頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，重復(fù)頻率frep與載波包絡(luò)相移頻率fceo可以直接由光電探測(cè)器測(cè)量飛秒激光頻率梳得到，而拍頻信號(hào)的頻率fbeat需通過(guò)搭建飛秒激光頻率梳與待測(cè)激光的拍頻光路，將激光差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)來(lái)讀取。由于飛秒激光頻率梳中參與拍頻的頻率梳齒能量極其微弱，常常會(huì)遇到兩方面問(wèn)題:①參與拍頻的兩束光維持空間路徑重合、偏振方向一致的時(shí)間較短，這導(dǎo)致了拍頻信號(hào)信噪比隨時(shí)間逐漸下降，不利于長(zhǎng)時(shí)間測(cè)頻;②拍頻信號(hào)信噪比不高，不足以觸發(fā)頻率計(jì)數(shù)器讀數(shù)。這兩個(gè)問(wèn)題的存在直接關(guān)系到飛秒激光頻率梳測(cè)量光頻的成?。?］。本文針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套飛秒激光頻率梳測(cè)量光頻用的拍頻裝置，一方面在光路的準(zhǔn)直重合、穩(wěn)定維持方面采取了相應(yīng)的光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化;另一方面在拍頻信號(hào)信噪比不足方面采取了先濾波后放大的措施，最終在利用600～950 nm波段飛秒激光頻率梳測(cè)量633 nm碘穩(wěn)頻激光頻率時(shí)驗(yàn)證了其可行性。

1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

圖1給出了飛秒激光頻率梳測(cè)量光頻用拍頻裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的器材17～23屬于外圍設(shè)備，分別為飛秒激光頻率梳、待測(cè)光頻及53132A頻率計(jì)數(shù)器。1a～7a，1b～7b及8～16為拍頻裝置內(nèi)部所有光電器件器件，均采用高穩(wěn)定底座固定于隔振光學(xué)面板。拍頻裝置中光學(xué)部分的調(diào)節(jié)以偏振分光棱鏡 (PBS)8上鍍有的偏振分光膜的中心為基準(zhǔn);1a～4a，1b～4b為準(zhǔn)直定位小孔光闌，其基于兩點(diǎn)確定一條直線的原理成對(duì)使用，用于對(duì)參與拍頻的兩光束行程限位，調(diào)節(jié)時(shí)配合反射鏡6a，6b，7a，7b使用，以確保參與拍頻光束在空間路徑上完全重合;格蘭棱鏡9適用波段為400～700 nm，消光比為106∶1，與半波片5a，5b及偏振分光棱鏡8配合調(diào)節(jié)，以確保參與拍頻的兩光束偏振方向一致;光柵10為每1 mm有1200條刻線的鍍金刻劃光柵，用于對(duì)拍頻后的光束在空間上按波長(zhǎng)排列分光，再通過(guò)小孔光闌12，可以將633 nm為中心波段的窄帶拍頻光束選取出來(lái)經(jīng)由聚集透鏡13會(huì)聚到光電探測(cè)器 (APD)14，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)fbeat，此時(shí)該信號(hào)的信噪比低于30 dB，無(wú)法由頻率計(jì)數(shù)器讀取，需經(jīng)過(guò)濾波器15濾波后再由低噪聲電信號(hào)放大器16進(jìn)一步放大，此處得到拍頻信號(hào)fbeat信噪比大于30 dB，滿(mǎn)足讀數(shù)信噪比要求。

圖1 飛秒激光頻率梳測(cè)量光頻用拍頻裝置

針對(duì)引言中所提到的拍頻信號(hào)信噪比低、高信噪比拍頻信號(hào)維持時(shí)間短的問(wèn)題，可通過(guò)圖1中拍頻裝置得到改善，拍頻裝置中準(zhǔn)直定位小孔光闌對(duì)參與拍頻的兩光束在空間傳輸路徑上可以起到嚴(yán)格的限位作用，隨時(shí)間發(fā)生空間偏移的兩束光可以通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡使光束重新通過(guò)小孔光闌得以修正以避免信噪比隨時(shí)間的降低;聚焦透鏡前的小孔光闌12在選取拍頻光束中633 nm窄波段光頻的同時(shí)，濾除了其他頻段的背景光強(qiáng)，也起到了提高拍頻信號(hào)信噪比的作用;在空間路徑嚴(yán)格重合的基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)節(jié)波片、格蘭棱鏡可以改變參與拍頻的兩束光的偏振態(tài)，再由濾波器及低噪聲放大器同時(shí)對(duì)拍頻信號(hào)進(jìn)行放大，這幾項(xiàng)因素同時(shí)綜合作用對(duì)提高拍頻信號(hào)信噪比也起到關(guān)鍵作用。

2 光頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)

利用圖1所示拍頻裝置，本文開(kāi)展了飛秒激光頻率梳測(cè)量碘穩(wěn)頻633 nm激光器e峰光頻的實(shí)驗(yàn)。所用飛秒激光頻率梳光譜范圍為600～950 nm，激光工作物質(zhì)為2 mm長(zhǎng)的摻鈦藍(lán)寶石晶體，采用532 nm激光進(jìn)行泵浦，平均輸出功率為50 mW，重復(fù)頻率為350 MHz，平均單根光頻梳齒的功率為95 nW，光譜曲線如圖2所示，在633 nm處有一功率峰值。實(shí)驗(yàn)中待測(cè)碘穩(wěn)頻633nm激光器的輸出功率為100 μW，經(jīng)防回光隔離器后到達(dá)拍頻裝置處的功率為80 μW ，其e吸收峰參考頻率值為 f=473612366.961 MHz［8］。

圖2 飛秒激光頻率梳光譜曲線圖

實(shí)際測(cè)量e峰頻率時(shí)，600～950 nm波段飛秒激光頻率梳通過(guò)鎖定電路將重復(fù)頻率frep、載波包絡(luò)相移頻率fceo鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率標(biāo)準(zhǔn)上，在frep和fceo同時(shí)鎖定的前提下調(diào)節(jié)拍頻裝置光電器件得到拍頻信號(hào)fbeat信噪比為36 dB，通過(guò)3臺(tái)頻率計(jì)數(shù)器由GPIB-USB數(shù)據(jù)線連接至電腦同時(shí)讀取了3個(gè)頻率值。圖3、圖4、圖5分別給出了3個(gè)頻率同時(shí)測(cè)量4202 s時(shí)間段內(nèi)的頻率值變化曲線。

圖3 重復(fù)頻率frep變化曲線

圖4 載波包絡(luò)相移頻率fceo變化曲線

圖5 碘穩(wěn)頻633 nm激光e峰頻率變化曲線

633 nm激光器e峰光頻值測(cè)量結(jié)果:實(shí)驗(yàn)中飛秒激光頻率梳載波包絡(luò)相移頻率fceo=21.8415232199160 MHz，重復(fù)頻率frep=349.4643715333480 MHz，故可得與633 nm激光器e峰光頻拍頻的梳齒序列號(hào)為N=1355252。根據(jù)飛秒激光頻率梳鎖定時(shí)frep和fceo的變化規(guī)律可得待測(cè)光頻的頻率值計(jì)算公式為fx=Nfrep-fceo+fbeat，最終計(jì)算得出本實(shí)驗(yàn)4202 s的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，碘穩(wěn)頻633 nm激光器e峰實(shí)測(cè)頻率值為473612367.000 MHz，與參考值差值為0.039 MHz，標(biāo)準(zhǔn)偏差為34 kHz。頻率測(cè)量值在不同平均時(shí)間下的阿倫偏差由圖6給出，其中1 s對(duì)應(yīng)的阿倫偏差為3.30×10-11，10 s對(duì)應(yīng)的阿倫偏差為2.29×10-11，100 s對(duì)應(yīng)的阿倫偏差為3.25×10-11，1000 s對(duì)應(yīng)的阿倫偏差為1.88×10-11。

圖6 frep，fceo及e峰頻率fxT的阿倫偏差

3 結(jié)論

本文針對(duì)飛秒激光頻率梳單根頻率梳齒能量小、在實(shí)際測(cè)量激光頻率時(shí)遇到的拍頻信號(hào)信噪比低、高信噪比拍頻信號(hào)維持時(shí)間短的問(wèn)題，在光路的準(zhǔn)直重合、穩(wěn)定維持方面采取了相應(yīng)的光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及對(duì)拍頻信號(hào)采取先濾波后放大的措施，在上述措施綜合作用下進(jìn)行了碘穩(wěn)頻633 nm激光器e峰頻率的絕對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到了4202 s的測(cè)量數(shù)據(jù):碘穩(wěn)頻633 nm激光e峰實(shí)測(cè)頻率值為473612367.000 MHz，與參考值差值為0.039 MHz，標(biāo)準(zhǔn)偏差為34 kHz。

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