飞秒光梳

第48卷第1期红外与激光工程2019年1月Vo l.48No.1I nfrared and Laser Engineering J an.2019高功率高重复频率飞秒掺镱光纤激光频率梳的研究(特邀)孙敬华1,2,3，孙克雄2，林志芳2，孙继芬2，晋路2，徐永钊1(1.东莞理工学院电子工程与智能化学院，广东东莞523808；2.华中科技大学物理学院，湖北武汉430074；3.Institute of Photonics and Quantum Sciences,Heriot-Watt University,Edinburgh EH144AS,UK)摘要：飞秒光学频率梳在精密计量学和光谱学中扮演着革命性的推动角色，成为近二十年超短脉冲激光技术及应用研究领域最活跃的前沿方向之一。

文中基于250MHz重复频率(f r ep)的掺镱(Yb)光纤激光器，研究了不同腔内色散以及锁模机制对飞秒脉冲序列载波包络相位偏移频率(f C EO)噪声的影响。

通过对飞秒光梳细节的优化，得到了49dB信噪比的f C EO拍频信号并获得了秒稳3.2×10-10的锁定结果，同时f r ep的锁定结果也达到了到了秒稳3.4×10-13的精度。

此外文中还研究了不同啁啾状态的种子光飞秒脉冲对基于大模场面积双包层Yb光子晶体光纤放大器输出光脉冲宽度的影响。

以携带-3.8×104fs2预啁啾量的光脉冲作为种子光，在60W976nm半导体激光泵浦下，获得了250MHz重复频率、23W平均功率和66fs压缩后脉冲宽度的激光输出。

关键词：光学频率梳；光子晶体光纤放大器；超连续产生；频率锁定中图分类号：TN24文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA201948.0103001High power high repetition rate femtosecond Ytterbium-dopedfiber laser frequency comb(invited)Su n Jinghua1,2,3,Sun Kexiong2,Lin Zhifang2,Sun Jifen2,Jin Lu2,Xu Yongzhao1(1.School of Electronic Engineering and Intelligentization,Dongguan University of Technology,Dongguan523808,China;2.School of Physics,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074,China;3.Institute of Photonics and Quantum Sciences,Heriot-Watt University,Edinburgh EH144AS,UK)Ab stract:Femtosecond optical frequency combs have introduced revolutionary promotions to precision optical spectroscopy and metrology,and have been hot topics of laser technologies and applications for two decades.In this article,the affects of intracavity dispersion and mode-locking mechanism on carrier-envelope phase slip frequency(f C EO)of femtosecond laser pulse trains were researched based on a femtosecond Ytterbium-doped fiber laser with250MHz repetition rate.By optimizing the intracavity dispersion,pumping power,and detection methods,49dB signal-noise-ratio f C EO be at signal was obtained which then was stabilized it to a stability of3.2×10-10i n1second,and a stability of 3.4×10-13(1s) of f r ep wa s also achieved.In addition,the effects of pulse chirping on the output pulse duration of a fiber amplifier was researched based on a piece of large-mode-area photonic crystal Yb doped fiber.Under收稿日期：2018-08-15；修订日期：2018-09-16基金项目：国家自然科学基金(11274133)作者简介：孙敬华(1974-)，男，教授，主要从事飞秒激光、超快非线性频率变换和飞秒光学频率梳方面的研究。

光频率梳测距原理光频率梳测距原理的基本思想是利用飞行时间法测量光的往返时间，再通过光的速度和测得的时间计算出距离。

通过将激光脉冲从光源发射出去，经过一段距离后，脉冲被目标物体反射，返回到光源。

利用光的速度和测得的时间，就可以得到目标物体与光源之间的距离。

在光频率梳测距原理中，飞行时间法的关键是测量脉冲的到达时间。

通常使用以下步骤进行测量：1.发射激光脉冲：光源通过激光器产生高能量的脉冲光，通常使用超快激光器产生纳秒甚至飞秒级别的脉冲。

2.接收反射脉冲：光脉冲被目标物体反射后，被接收器捕获。

接收器通常是一个高灵敏度的光电探测器，可以将光信号转换为电信号。

3.记录到达时间：接收器将接收到的光信号转换为电信号后，通过计数器记录光脉冲到达接收器的时间。

这个时间即为往返的时间。

4.计算距离：根据光的速度和测得的时间，可以计算出目标物体与光源之间的距离。

光的速度通常使用光在真空中的速度，即299,792,458米/秒。

实际应用中，光频率梳测距原理可以通过不同的扩展和改进进行优化和增强。

一种常见的方法是使用多频光脉冲，通过更精确的测量和数据处理技术，提高测距精度和分辨率。

另一种方法是使用多路径干涉技术，通过检测光的相位变化，进一步提高测距精度和抗干扰能力。

光频率梳测距原理具有很多优点。

首先，它可以实现非常高的测距精度，比传统的测量方法要好得多。

其次，它具有较高的分辨率，可以检测到微小尺寸或变化。

第三，由于采用光传输，光频率梳测距原理具有非接触和非破坏性。

最后，光频率梳测距原理适用于各种材料和场景，包括固体、液体和气体。

总结起来，光频率梳测距原理是一种利用光的频率梳技术测量距离的方法。

它通过测量光脉冲的往返时间，结合光的速度，可以计算出目标物体与光源之间的距离。

光频率梳测距原理具有高精度、高分辨率、非接触和适用于各种材料和场景等优点，因此在科学研究、工业应用和地质勘探等领域有着广泛的应用前景。

用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳韩羿;曹士英;宋文霞;左娅妮;房芳【期刊名称】《仪器仪表学报》【年(卷),期】2024(45)2【摘要】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。

【总页数】16页(P31-46)【作者】韩羿;曹士英;宋文霞;左娅妮;房芳【作者单位】中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所;国家市场监管重点实验室(时间频率与重力计量基准)【正文语种】中文【中图分类】TH741【相关文献】1.行走在路上——访“飞秒激光光学频率梳”项目负责人方占军2.“飞秒激光光学频率梳的研究”通过专家鉴定3.以I2和Rb为样品的激光频率标准与稳频飞秒光学频率梳的研制4.飞秒激光光学频率梳装置5.国家计量院飞秒激光光学频率梳获国家科技进步二等奖因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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@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。

飞秒光学频率梳什么是飞秒光学频率梳？飞秒光学频率梳（femtosecond optical frequency comb）是一种能够产生高精度、高稳定性的光学时钟信号的仪器，它可以将连续的激光光谱转换为离散的、均匀分布在频率轴上的线状谱，这些线状谱之间的间隔是固定的。

通过控制这些线状谱之间的间隔，飞秒光学频率梳可以产生高精度、高稳定性的微波和毫米波信号，被广泛应用于精密测量、频率合成、时间和空间标准等领域。

飞秒光学频率梳的原理飞秒光学频率梳利用了超快脉冲激光器发射出来的高重复频率脉冲序列，这些脉冲序列经过非线性效应作用后形成了一个离散且均匀分布在频域上的线状谱。

这个离散化后的谱称为“频率梳”，因为它类似于一把具有均匀刻度的调制器。

飞秒光学频率梳的应用1. 频率合成飞秒光学频率梳可以将一个单一的频率转换为多个精确的频率，从而实现频率合成。

这种技术被广泛应用于通信、雷达、卫星导航等领域。

2. 精密测量飞秒光学频率梳可以用于精密测量，例如测量光速、原子钟、引力波探测器等。

利用飞秒光学频率梳可以实现高精度的测量，具有极高的可靠性和稳定性。

3. 时间和空间标准飞秒光学频率梳可以作为时间和空间标准，例如国际计量单位制中的秒就是通过利用铯原子钟和飞秒光学频率梳来定义的。

4. 生物医学研究飞秒光学频率梳还可以应用于生物医学研究领域，例如通过利用飞秒光学频率梳进行拉曼光谱分析来检测人体组织中的化合物和分子。

总结飞秒光学频率梳是一种能够产生高精度、高稳定性的微波和毫米波信号的仪器，它可以广泛应用于精密测量、频率合成、时间和空间标准以及生物医学研究等领域。

飞秒光学频率梳的原理是利用超快脉冲激光器发射出来的高重复频率脉冲序列，通过非线性效应作用后形成离散且均匀分布在频域上的线状谱。

飞秒光学频率梳什么是飞秒光学频率梳？飞秒光学频率梳（femtosecond optical frequency comb）是一种用于测量光频率精度的工具。

它是通过将一束脉冲激光分成数以百万计的非常短的、均匀分布的光脉冲来实现的。

这些脉冲的频率之间存在固定的关系，就像音乐中的音阶一样。

因此，飞秒光学频率梳可以在光频率精度测量和时间标准等领域发挥重要作用。

飞秒光学频率梳的原理和构成飞秒光学频率梳的原理基于光学陷阱。

光学陷阱可以用来将光束分解成数个光子，然后将这些光子重新合并成新的光束。

在飞秒光学频率梳中，使用了一个脉冲激光和一个光学腔。

飞秒光学频率梳的构成包括以下几个部分：1.激光源：通常采用飞秒激光器来产生极短的激光脉冲。

2.光谱扩展：通过将激光脉冲经过一系列的非线性光学效应，可以将光的频率范围从几百纳米扩展至数千纳米。

3.光学腔：用于产生光学陷阱，将光束分解成多个光子，并重新合并成新的光束。

4.频率锁定：将光学频率梳的频率与已知的基准频率进行比较，从而实现频率的精确测量。

飞秒光学频率梳的应用领域由于飞秒光学频率梳可以提供非常高的光频率精度和稳定性，因此在许多科学和工程领域都得到了广泛的应用。

光谱分析飞秒光学频率梳可以用于精确测量光源的频率，并用于光谱分析。

这对于光源的标定和研究具有重要意义，特别是在高精度的应用中，如光纤通信和激光雷达。

时间测量由于飞秒光学频率梳具有非常高的时间分辨率，在时间测量中也得到了广泛的应用。

例如，在超快激光领域，飞秒光学频率梳可用于测量超快过程的时间尺度，如化学反应和电子运动。

光学频率标准飞秒光学频率梳可用作光学频率标准，提供非常高的频率精度和稳定性。

它可以用于校准其他光学频率源，并作为时间和频率测量的基准。

量子计量学飞秒光学频率梳在量子计量学中也有重要的应用。

它可以用于量子信息处理和量子通信等领域，为量子系统的精确测量和控制提供支持。

飞秒光学频率梳的发展和前景飞秒光学频率梳的概念最早由Theo Hänsch和John Hall提出，他们因此获得了2015年的诺贝尔物理学奖。

光学频率梳原理及应用
光学频率梳是一种现代激光技术，其作用类似于音色分析仪，可以将光谱图分解为一系列的单频光线。

这种技术之所以称为“梳”，是因为光频率梳分解出来的光线像是梳子上的齿一样，间距一致而精细。

下面我们来分步骤阐述一下光学频率梳原理及应用。

第一步：原理
光学频率梳是由一台飞秒激光器和一段非线性晶体组成的。

首先，飞秒激光器将一束高能飞秒激光通过调制，产生一系列相干的光脉冲。

这些光脉冲被传递到非线性晶体中，经过一系列非线性效应（如二次谐波产生、混频等），最终导致频率倍增和复制。

这样，我们就得到了一系列频率精确、高度一致的光脉冲，构成了光学频率梳。

第二步：应用
光学频率梳可以用于多种应用，特别是在精密测量和频率计量方面。

以下是几个具体应用实例：
1.时间测量：光学频率梳可以提供极高的时间精度，可以检测出纳秒和皮秒级别的时间，有助于各个领域的实验研究；
2.频率计量：随着微波和射频技术的不断发展，越来越多的应用需要高精度的频率计量。

光学频率梳的频率稳定性非常高，可以提供更准确的、高度一致的频率标准；
3.激光调制：光学频率梳可以用于激光调制，可以将激光调制成多个频率组成的激光，应用于光通信、遥感等领域。

总之，光学频率梳是由飞秒激光器和非线性晶体组成的一种高效现代激光技术。

它不仅能够提供高精度的时间和频率测量，还可以应用于多个领域，为科技发展和实验研究提供了极大的帮助和支持。

小型化光纤飞秒光学频率梳系统项目概述小型化飞秒光梳技术为国家自然科学基金重大项目：“新一代光学频率标准物理及技术的基础研究”、国家自然科学基金仪器项目：“长期稳固工作的高精密半导体激光系统研究”国家重点基础研究进展计划：“基于超冷原子、分子体系的新物态和量子仿真研究”等国家级重大科研项目衍生的技术功效。

小型化光纤飞秒光学频率梳系统包括光学部份，电源部份和锁相环部份，该系统接近产品化，系统能够长期（大于三个月）锁定，频率系统的指标达到国际先进水平。

该系统，基于飞秒脉冲的扩谱技术，光学频率梳能够取得很高的信噪比（大于45dB）；输出功率大于300mw；光谱范围从1000nm～2400nm；系统总重量小于20Kg。

该系统每一部份都由北大量子所自主研发，具有自主产权。

飞秒光梳的发明对光学通信、大距离精密测量、光学精密测量、卫星精密导航、生物精密检测、煤矿质量精密、化学精密分析等众多领域产生重大的影响，2005年的物理学诺贝尔奖也因光学频率梳的发明颁发给其发明人。

因此，光梳的小型化和产品化将对我国的通信、国防、科研、民用等领域产生不可估量的推动作用。

小型化光纤光梳电控部份小型化光纤光梳光学部份应用范围飞秒光梳的潜在应用潜力庞大，它目前已经在光学频率精密测量、时刻与频率计量、超精密守时系统、精密原子钟、超长距离时刻同步、甚长基干与仪、光学频率精密传输、卫星间星座精密定位、卫星间时刻精密同步、深空导航与通信、精密导航定位系统、遥远天空精密跟踪、天文精密观测、天文光谱精密测量、天文数据精密比较、脉冲星观察、太阳系外类地球行星观察、宇宙膨胀直接测量、地球转变观测、毫米量级的遥感技术、通信系统与光纤网络精密同步、空间与地面光钟的比较、大气吸收谱的测量、气象云图的多普勒雷达、高灵敏大气红外光谱双波气象雷达、大气层水汽精密测量、科学研究、广义相对论查验、高等教学、空气质量精密检测、生物快速检测、医疗检测等方面取得了重要应用，未来将在形成以光纤激光器的庞大仪器市场，专门是在通信精密同步技术；高速铁路的精密时刻同步、工业长度精密测量、地球精密勘探、环境精密检测、生物精密检测、化学精密检测方面将有普遍的市场，飞秒光梳作为新的精密激光光源将成为新的增加点。