关于光学频率梳的概述 06061102 扈琦 摘要：光梳技术，秒的新标准。 引言：从1958年激光被首次成功制造至今，这个光学新的领域获得了异乎寻常的飞快发展，它使我们能够有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。现在，一种新型的激光——“光学频率梳”诞生了，它就像一把“光尺”，使人类能够对光学频率实现及其精密的测量。这里我将简要说明光学频率梳的结构以及其广阔的前景。 一、光梳结构 光学频率梳由“锁模激光器”产生，是一种超短脉冲激光。超短光脉冲的载波由单一频率的光构成，这种光会在光谱上该频率显示为一条竖线，表示只存在该频率的光波。在这里，锁模激光器发射的光脉冲的两个特征成为了研制光学频率梳的关键。第一个特征是，包络相对于载波发生微小位移，导致脉冲发生细微变化。脉冲包络的峰值，可以和对应的载波波峰同时出现，也可以偏移到载波的波峰同时出现，该偏移量被称为脉冲位相。第二个特征，锁模激光器以重复频率发射脉冲序列。这种脉冲序列光的频谱不是以载波频率为中心向两边连续延展，而是形成许多离散的频率。这个频谱分布很像梳齿，彼此间隔与激光器的重复频率精确相等。但在通常情况下，前后两个脉冲的位相会发生一些不可预知但却固定不变的偏移，这时，梳齿的频率会偏离重复频率的整数倍，出现零点漂移，使得梳齿频率不可确定。随着钛宝石激光器的出现，德国马普量子光学研究所的Theodor. W. Hansch 利用新型激光器证明了输出光梳输出光谱两端的光梳谱线具有确切的对应关系，使得光梳真正的可以被作为“光尺”使用。 二、光梳技术应用 光学原子钟 光学原子钟是迄今为止，人类制造的最精确的时钟，它的精度已经超过了1967年来一直作为标准的微波原子钟。光学原子钟将在空间导航、卫星通信、基础物理问题的超高精度检。 化学探测器研究人员已经演示了利用光梳的超灵敏化学探测器，目前正在研制商业化仪器的样机。这种探测器，能够让安检人员更快捷的识别爆炸物及危险病原体等有害物质。医生可以通过检测病人呼出的气体的化学成分来诊断疾病。 超级激光器利用光学频率梳，许多激光器输出的激光脉冲可以合称为单束光脉冲序列。合成激光的相干性极好，就像是同一个激光器发出来的一样。这种技术将来有望对从无线电波到X射线的电磁波谱实现相干控制。 长途通信使单根光纤传输的信号量增加好几个数量级，所需的只是一把光梳，各通道之间的干扰也将减少，尤其是安全通信，将从光梳的运用上获得许多好处。 激光雷达激光雷达用激光来测定远距离目标的位置、速度和性质。用光学频率梳产生的特定波形的激光，有望将雷达的灵敏度和探测范围提高几个数量级。 三、秒的新定义 稳定的光学频率梳发明以后，精确测量连续波激光器的频率就变得轻而易举了。像倍频链一样，基于光梳的频率测量仍然需要以铯钟作为标准。首先，必须测量光梳的零点偏移频率和光梳梳齿的频率间隔。有了这两个数据，我们就能计算出所有梳齿对应的频率。接下来，就要把待测激光与光梳的光混合在一起，测量激光与最接近它的梳齿产生的拍频频率，也就是两者频率差。这三个频率都属于微波频段，可以用铯钟非常精确的进行测定。至此，光梳的这些优点使得时间标准从微波的向光学的转变。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920302555.X (22)申请日 2019.03.11 (73)专利权人 南京大学 地址 210093 江苏省南京市鼓楼区汉口路 22号 (72)发明人 姜校顺 王瀚 麻霁阳 肖龙甫 顾佳新 肖敏 (74)专利代理机构 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人 孟金喆 (51)Int.Cl. G02F 1/35(2006.01) H01S 5/06(2006.01) H01S 5/00(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 一种光学频率梳产生系统 (57)摘要 本实用新型公开了一种光学频率梳产生系 统。该系统包括波长可调光源、偏振控制器、光纤 以及光学微腔；波长可调光源提供泵浦光，泵浦 光耦合入光纤；光纤与偏振控制器的输入端连 接；光纤从偏振控制器的输出端延伸至光学微 腔，光纤包括锥状结构，光纤通过锥状结构与光 学微腔耦合；其中，光学微腔包括衬底和位于衬 底一侧的支撑柱和大倾角微盘腔；泵浦光通过锥 状结构耦合入光学微腔；偏振控制器调节光纤中 泵浦光的偏振方向，提高与光学微腔的耦合效 率；泵浦光在光学微腔中由于三阶非线性效应， 产生可见光波段的光学频率梳。本实用新型的技 术方案，产生可见光波段的光学频率梳，而且利 用片上集成的光学微腔器件，有利于小型化和集 成化器件的发展。权利要求书2页 说明书7页 附图5页CN 209356822 U 2019.09.06 C N 209356822 U
光学频率梳的绝对距离测量研究 光学频率梳的出现和飞速发展给超精密计量领域带来了革命性的进步。大尺寸高精度的绝对距离测量在基础科学研究和工程实际应用中都发挥着重要的作用。1983年,国际计量大会定义长度单位米为光在真空中行进1/299792458秒的距离,实现了长度（米）和时间（秒）的高度统一。光学频率梳作为一种新型的光源,可直接连接长度和时间,于是,光学频率梳的绝对距离测量很快成为了国际国内的研究热门。 本论文研究了光学频率梳的绝对距离测量,在几十米大范围内实现了高精度的绝对距离测量,满足大尺寸高精度的绝对距离测量需求。研究了强度探测的绝对距离测量方法,分析了脉冲互相关原理,建立了基于高斯脉冲、 Sech2脉冲和洛仑兹脉冲的脉冲互相关模型,通过两个脉冲的干涉强度实现绝对距离测量。在25m范围内,与参考干涉仪比对的结果表明,测量不确定度优于1.5μm。分析了色散干涉的原理,基于色散干涉条纹的调制频率实现绝对距离测量,但是采用低分辨率的光谱分析仪无法实现任意测距。 为了克服这一局限性,采用一段长的延迟光纤作为参考臂,通过改变光学频率梳的重复频率,可以实现任意测距。实验结果表明,在75m范围内,测量不确定度优于25μm。进行了测量不确定度的最优化分析,以最优化系统的参数配置。通过调节重复频率进行光学采样,实现绝对距离测量。 采用一段长的延迟光纤作为参考臂,通过扫描重复频率,获得脉冲干涉条纹。采用希尔伯特变换测量干涉条纹的峰值位置,实现绝对距离测量。实验结果表明,在60m范围内,测量不确定度优于3μm。在自由空间中,通过扫描重复频率,获得了脉冲干涉条纹。 采用傅立叶变换测量干涉条纹携带的距离信息。实验结果表明,在75m范围内,测量不确定度优于4μm。进行了多目标测量场合下的实验,测量了玻璃厚度和折射率。实验结果表明,通过扫描重复频率光学采样的方法可以高精度的测量玻璃厚度和折射率。 提出了光学频率梳与单频激光多外差干涉的绝对距离测量方法。分析了光频梳与单频激光多外差干涉的原理,通过拍频信号的相位实现绝对距离测量。为了改善拍频信号的稳定性,采用Pound-Drever-Hall锁定原理,将单频激光锁定至
从光学波长到微波频率基准: 光学波长标准 - 飞秒光梳频率列 - 铯原子微波频率基准 - 光钟 中国计量科学研究院(NIM) 量子处 李天初, 方占军 电话: (10) 6429 5811, e-mail: litch@https://www.doczj.com/doc/e918110555.html, 摘要: 迄今, 光学波长依赖于传统的光学谐波波长链溯源到铯钟微波频率基准。本文简略介绍中国计量院量子处保存和在研的激光波长标准, 报导我们研制新一代NIM4＃"激光冷却-原子喷泉"微波频率基准铯钟和"飞秒脉冲激光-光学梳状频率"的原理和进展。冷原子喷泉钟将使我国频率基准不确定度进入10-15。飞秒梳状频率使光学波长和微波频率直接准确地联系起来。上述两项课题将改变我国光学波长标准和溯源系统的基本格局, 使得光学波长计量发展到一个新水平。同时, "飞秒梳状频率"与"原子/离子存储光学频率标准"的结合, 将推动"光钟"的发展. 关键词:冷原子喷泉钟; 飞秒光梳; 微波频率基准; 光学波长标准. 1, 稳频激光光学波长标准 －实际复现米定义 1983年, 国际计量大会(CGPM)颁布了新的米定义，将长度单位米定义为光波在一定时间间隔传播的真空距离[1], 并陆续推荐了十二条光辐射波长, 作为光学波长标准[2]。 在CGPM推荐的标准波长中, 利用饱和吸收技术将He-Ne激光频率锁定到127I2的115-5, R(127) 跃迁a i峰的633nm波长[3], 由于其结构简单、使用广泛、准确可靠而成为最常用、最常规的光学波长标准。 中国计量院(NIM)自70年代就开始了激光稳频的研究。目前NIM保存着碘稳频633nm He-Ne激光波长标准, 不确定度为5x10－11(2σ)。我们正在改造更新He-Ne激光543nm 波长标准, 开展碘稳频Nd:YAG激光倍频532nm波长和乙炔稳频半导体激光1542nm 波长标准的研究。通过定期参加国际比对, 检验波长标准准确性, 我们保持着中国光学波长与国际量值一致。 2, 时间/微波频率基准 － NIM4# 铯冷原子喷泉钟 1983年米定义意味着在计量的意义上米已经不再是一个独立定义量, 而是溯源到时间单位--秒。随之, 光学波长也溯源到微波频率基准－铯原子钟。依照1967年CGPM通过的定义, 秒是铯133同位素原子基态两个超精细能级对应辐射的9,192,631,770个周期[4]。秒由于复现准确度高, 传递使用方便而成为国际单位制(SI)七个基本单位中使用最广, 计量意义最重要的基准量. NIM在八十年代建成磁选态铯束时间频率基准－NIM3#铯钟, 不确定度3x10－13[5]。目前, 我们正按照当今国际最先进的原理, 研制NIM4# "激光冷却-铯原子喷泉"钟。
光纤激光频率梳关键技术的研究 作为20世纪最伟大的发明之一,由频率控制的锁模激光所产生的光学频率梳在光频计量、光原子钟与时频传递、精密相干测量等领域具有重要应用。光纤激光频率梳结构简单、成本低且易于维护,是近年来的研究重点。本论文着重于光纤激光频率梳的关键理论和技术。从理论和实验方面对光纤激光频率梳开展了研究,主要内容包括:第一,基于脉冲在光纤色散非线性传输所满足的非线性薛定谔方程(NLSE)和广义非线性薛定谔方程(GNLSE),研究了锁模光纤激光脉冲特性、啁啾脉冲光纤放大技术和高非线性光纤超连续谱的产生技术;基于Master方程微扰理论,研究了重复频率和偏移频率的传递函数;利用固定点模型,分析了光纤激光频率梳的噪声特性和反馈机制,并提出了噪声抑制方法与实现途径;第二,提出了一种基于飞秒光纤激光器的光频率梳设计方案。 设计与研制出脉冲宽度55 fs、重复频率210 MHz的色散管理孤子锁模掺铒光纤激光器,优化设计了啁啾脉冲光纤放大链路,由负色散高非线性光纤产生了频率范围1080～2320 nm的倍频程超连续谱,经f-2f自差拍检测出信噪比达32 dB的载波包络偏移频率;论证了基于P-I电路的PLL的长期稳定的优越性,并基于此设计部分电路构建锁定电子链路;通过将重复频率的4次谐波和载波包络偏移频率锁定到商用铷钟,实现了对光学频率梳的高精度锁定。测量结果表明,1s 计数门控时间下的重复频率和偏移频率标准偏差分别为0.65 mHz和1.76 mHz,100 s采样时间时下的Allan偏差分别为1.74×10-13和1.80×10-11。第三,研究了基于双倍周期锁模光纤激光器的光梳锁定机制和锁定结果。通过优化激光腔内的OFS-980长度,设计了一种仅改变泵浦偏置电流就可实现基本被动锁模和双倍周期锁模之间切换,且两种状态下输出脉冲特性相仿的光纤激光器。 研究表明,双倍周期锁模产生的新梳齿模与原梳齿模强烈相关并具有一致的载波包络偏移频率,采用反馈控制腔长和激光泵浦功率的锁定方式同样适用。此外,仅改变泵浦偏置电流,经同一f-2f自差拍系统和与双倍周期锁模完全相同的锁定电路,还实现了基本锁模运转下的光梳锁定,从而在同一光纤系统实现了两种不同梳齿间隔的相位锁定光梳及其相互之间的切换。以上研究结果对研制实用化的低噪声光纤激光频率梳以满足光频计量、光梳光谱和微波产生等领域的应用需求具有重要的参考价值。
第一节光的反射（2学时） 一、光是如何产生的？-------引入以声音的产生话题，讨论光的产生，引出人造、自然光源； 光是由光源产生的；简单说几个光源：太阳、萤火虫、点灯、火把； 分为自然光源、人造光源；----------------------------月亮是光源吗？为什么？ 二、光是如何传播的？----是否和声波一样；电磁波有原子的外层电子受激发后产生（红外线、可见光、紫外线） 在透明的、均匀的物质当中是沿着直线传播的。（用激光笔做试验） 表示光线； 光线是实际不存在的，是人们规定的；建构起来的理想模型 光速3.8×108m/s 光年是什么单位，是否还会计算； 三、光的直线传播有什么应用，或者能解释什么现象？用绘图的方式进行解释： 影子：是由于光线在直线传播过程中碰到了障碍物，而产生的阴影；-----皮影戏 日食：太阳被月亮挡住了，而形成的的； 月食：月亮被地球挡住了，而形成的的 小孔成像：成倒立的实像，而且越靠近光源，物象越大，物象暗；反之物象小，明亮； （实像与虚像如何区分，如何定义；） 四、光还有什么特性？ 光除了会直线传播，碰到物体会怎么样呢，例如我们照镜子，看河水中的倒影等，说明光不仅仅是沿直线传播的，还会发生反射： 1.学习反射定律： ※观看手机视频：提出问题，1、光线与发法线的关系？2、光线与光屏的关系？3、入射角与反射角的关系？ 4、光线是可逆的 5、垂直射入，按照原路返回； ※咱们学习一下几个概念：法线入射角反射角重点内容 如何动手画光的反射图？这是一种方法还有第二种方法； 1、先看，确定反射平面，画法线-------法线要求与反射平面垂直；用ON表示 2、想反射定律，入射光线与反射光线分别位于发现两侧，入射角与反射角相同； 五、光的反射类型 反射类型： 1、镜面反射：表面光滑的物体反射，称为镜面反射，光线平行，不发生交叉，方向固定； 2、漫反射：光线照射到表面不光滑的表面，反射的光线发生交叉，光线不确定。这个也是我们能看到各个 方向物体的原因； 六、反射的光线具有可逆性； 对于漫反射及光的直线传播理解不到位；