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高平均功率飞秒光纤光学频率梳产生及其噪声特性的研究基于飞秒锁模激光脉冲和高功率光纤放大技术发展的高功率光纤光学频率梳有望替代钛宝石光学频率梳,在精密光谱测量、时间频率计量和阿秒超快光学等领域具有重要的应用。
目前,高功率光纤光学频率梳的发展急需突破以下技术瓶颈:研究稳定的新型光纤锁模技术,降低激光脉冲的噪声,提升激光光源的稳定性;探索光纤超短脉冲放大的新技术,突破增益窄化、非线性效应和模式不稳定等限制,降低脉冲放大过程中非线性累积的相位噪声和强度噪声;发展高功率飞秒激光脉冲时频域控制技术,实现更高平均功率的光纤光学频率梳。
本论文以高平均功率飞秒光纤光学频率梳产生技术和噪声抑制为主题展开研究。
研究了光纤锁模技术和腔内噪声抑制技术,获得了超低噪声高重复频率飞秒激光脉冲;选用高增益大模场掺镱光纤,分别实现了超短脉冲激光的啁啾脉冲光纤放大和自相似脉冲光纤放大,抑制了飞秒激光脉冲高功率放大过程中引入的附加噪声;研制了高功率飞秒激光脉冲的时-频域控制系统,实现了两台低噪声高功率的飞秒光纤光学频率梳。
本论文具体研究内容和创新点概括如下:1.研制了基于非线性偏振旋转锁模的超低噪声的集成化光纤激光器。
通过合理设计腔型结构,结合腔内色散管理和泵浦优化,获得了脉冲宽度50fs,光谱宽度50nm超短激光脉冲,激光脉冲重复频率提升到500MHz。
采用谐波锁模技术,获得重复频率为1GHz的稳定的谐波锁模脉冲输出;综合抑制泵浦噪声、色散噪声和环境噪声,实验中大幅度地降低了激光种子源的相位和强度噪声,获得了1Hz-10MHz内累计相位噪声和累计强度噪声仅为1.6mrad和0.085%的超低噪声飞秒激光脉冲,是目前文献报道的最低自由运转噪声的1GHz光纤飞秒锁模激光器。
2.通过理论计算和实验研究,深入研究了高功率啁啾脉冲光纤放大器中脉冲时频域演化过程。
计算模拟了脉冲展宽、增益窄化、自相位调制以及受激拉曼散射等过程对啁啾脉冲光纤放大器输出脉冲的影响,优化了放大噪声抑制技术,设计了高功率棱栅高阶色散压缩器,发展了高平均功率低噪声啁啾脉冲光纤放大技术,获得了250MHz,132W,180fs的高平均功率的傅里叶变换极限脉冲。
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。
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。
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。
基于飞秒激光器光学频率梳的绝对距离测量许艳;周维虎;刘德明;丁蕾【摘要】The method of measuring absolute distance with the optical frequency comb of a femtosecond laser was proposed. A femtosecond laser was used as the light source of performing absolute distance measurement. A Michelson type interferometer structure was built. Exploiting the principle of the dispersive interference, the spectrum was analyzed. Then, the phase difference which was caused by the optical path difference of optical interference was obtained. Finally, the optical path length difference was measured. The experiment result shows that our length measurement method has high accuracy with the resolution of nanometer level. The minimum measurable distance is 9 urn, and the non-ambiguity range of length measurement' is 5.75 mm. Compared to the limited measuring range of traditional white light interferometry, the maximum distance can be extended to arbitrary length.%提出使用飞秒激光器的光学频率梳测量绝对距离的方法.将一个飞秒激光器作为绝对距离测量的光源,搭建迈克尔逊干涉结构,利用色散干涉原理进行相应的光谱分析,得到干涉光路的光学路径差引起的相位差,最终计算出干涉光路的光学路径差.实验结果表明我们的长度测量方法精确度高,分辨力达到纳米量级.最小测量距离达到9 μm,非模糊范围达到5.75 mm.相对于传统白光色散干涉技术的有限测量范围,最大测量距离可以扩展到任意长度.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2011(038)008【总页数】6页(P79-83,89)【关键词】绝对距离测量;飞秒激光器;光学频率梳;色散干涉【作者】许艳;周维虎;刘德明;丁蕾【作者单位】华中科技大学光电子科学与工程学院,武汉430074;江西理工大学应用科学学院,江西赣州341000;中国科学院光电研究院,北京100094;中国科学院光电研究院,北京100094;华中科技大学光电子科学与工程学院,武汉430074;中国科学院光电研究院,北京100094【正文语种】中文【中图分类】TB921;TN2480 引言长度(距离)是七大基本物理量之一，对于长度的精确测量在科学和技术方面都具有十分重要的意义。
光学频率梳原理及应用华科光学频率梳是一种相对较新的技术，它利用激光的稳定频率来精确测量和控制光的频率。
它的原理是基于激光在特定条件下产生连续频率的谱线，从而形成光学频率梳。
利用光学频率梳，可以实现对光信号的绝对频率精确测量，同时也可以用于实现光频率的稳定控制和调制，因此在精密测量和频率标准等领域有着广泛的应用。
光学频率梳的原理是基于飞秒激光技术，它利用超快激光脉冲的相位和频率特性来实现频率梳的产生。
在光学频率梳系统中，飞秒激光被分为两个信号，一个用于实现频率梳的产生，另一个用于对比和控制。
通过对两个信号的相位和频率进行调制和控制，可以实现光学频率梳系统的稳定性和精度。
光学频率梳的应用非常广泛，其中最主要的应用是在精密光谱测量领域。
由于光学频率梳可以实现对光信号的绝对频率精确测量，因此可以用于原子钟和频率标准的校准和精确定标。
此外，光学频率梳还可以用于激光干涉测量和高精度频率合成等领域，因此在科学研究和工程应用中有着广泛的应用前景。
另外，光学频率梳还可以应用于光通信和光网络领域。
由于光学频率梳可以实现对光信号的稳定调制和控制，因此可以用于实现高速光通信系统和光网络的频率同步和时钟同步。
此外，光学频率梳还可以用于实现高速光通信系统的频率合成和频谱整形，因此在光通信和光网络应用中有着重要的作用。
除此之外，光学频率梳还可以应用于激光制造和激光加工领域。
由于光学频率梳可以实现对激光的频率精确控制，因此可以用于实现高精度激光加工和激光制造系统。
此外，光学频率梳还可以用于实现激光干涉测量和高分辨率激光成像，因此在激光加工和激光制造应用中有着广泛的应用前景。
总之，光学频率梳是一种在光学和激光技术领域有着重要应用价值的新兴技术。
通过光学频率梳系统的稳定调制和控制，可以实现对光信号的频率精确测量和控制，因此在精密测量、光通信、激光制造等领域有着广泛的应用前景。
随着飞秒激光技术和光频率梳技术的不断发展，相信光学频率梳将会在更多领域展现出其重要作用。
航空科学技术Aeronautical Science &TechnologyDec.252020Vol.31No.1286-89基于飞秒光学频率梳的乙炔气体光谱测量高宇炜，武腾飞*，张磊，韩继博，赵春播，夏传青航空工业北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术重点实验室动态测试与校准技术航空科技重点实验室，北京100095摘要：双光梳光谱分析技术近年来凭借高分辨率、高灵敏度、宽光谱覆盖和快速测量的优势，在分子和原子光谱分析领域得到了快速的发展。
首先简要介绍双光梳光谱测量技术的基本原理，然后根据实验室现有条件，建立相应的双光梳光谱测量装置，并针对乙炔气体进行可行性验证。
关键词：双光梳光谱学；激光光谱学；光谱分析；光学频率梳；双光梳系统中图分类号：TN249文献标识码：ADOI ：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.012光学频率梳（optic al frequency comb ,OFC ）作为一种高精度的频率测量工具，在前沿物理领域得到了广泛的应用[1]。
光梳通过将光频率和微波频率相联系，通过两者之间的直接关联，可以有效地实现对光学频率的计量[2-3]。
在实际应用方面，飞秒激光频率梳在精密时间计量[4]、精密宽带光谱测量[5]、高精度距离测量[6]、高精度速度监测[7]、激光雷达[8]、光纤传感[9]和激光多普勒测速[10]等方面得到广泛的应用。
由于飞秒激光频率梳具有带宽高、短时稳定和长时稳定效果好的特点，近些年其在高精度光谱测量方面实现了长足的进步，出现了许多新光谱测量方法[11-13]。
现有的测量方法主要分为两类：第一类是在原有的光谱测量方法的基础上，将普通光源替换为飞秒光源，利用飞秒光源的特点，提升光谱测量精度，如在傅里叶变换光谱法中[11]，使用飞秒光源可以增加主动探测的光谱范围，在腔增强或腔衰荡法中[12]，可以将高品质因数的激光脉冲耦合进光学谐振腔，提升测量灵敏度；第二类是基于光梳的相干性，利用异步光取样的方法，将飞秒光学频率梳作为光源，实现光谱的测量[13]。
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。
自那时以来，飞秒光学频率梳的研究和应用不断推进。
随着技术的发展，飞秒光学频率梳的性能和使用范围还将进一步扩大。
未来，它有望在更多的领域发挥重要作用，例如无线通信、量子计算和量子通信等。
总结
飞秒光学频率梳是一种用于测量光频率精度的重要工具。
它的原理基于光学陷阱，可以将光束分解成多个光子，并重新合并成新的光束。
飞秒光学频率梳已经在光谱分析、时间测量、光学频率标准和量子计量学等领域得到了广泛应用，并具有良好的发展前景。
随着技术的进步，相信飞秒光学频率梳将在更多领域发挥重要作用。
