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用于40Ca+离子光频标的钛宝石激光器稳频研究

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用于40Ca+离子光频标的钛宝石激光器稳频研究

作者：边武中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

学位级别：硕士

激光器是二十世纪最伟大的发明之一,由于其出色的空间相干性和时间相干性,在准直、测距、计量、集成电路、光纤通信、工业制造及军事等方面获得了广泛的应用。虽然激光相比普通光源其相干性极高,但由于外界环境的影响以及激光器件本身... 详细信息

激光器是二十世纪最伟大的发明之一,由于其出色的空间相干性和时间相干性,在准直、测距、计量、集成电路、光纤通信、工业制造及军事等方面获得了广泛的应用。虽然激光相比普通光源其相干性极高,但由于外界环境的影响以及激光器件本身的不稳定性等因素,其线宽往往比较宽。这对于高分辨率的光谱学研究是不够的,因此人们往往采用各种方法来对激光器进行稳频。同时线宽极窄的激光器又可作为光学频率标准的本机振荡器,将其锁定于原子或离子的跃迁谱线上,就实现了一台光频标。由于飞秒光学频率梳的发明,以及原子囚禁技术和激光冷却技术的发展,光频标进入了实验研究阶段。光频标利用原子的光学跃迁作为参考,相比微波频标有望得到更高的准确度及稳定度。对于我们实验室的囚禁单个40Ca+离子光频标,利用Paul型离子阱实现单个钙离子的稳定囚禁。其42S1/2-32D5/2钟跃迁谱线自然线宽约为0.16Hz,对应谱线Q值高达1015量级,对其系统不确定度的评估达到了6.5×10-16。钟跃迁探测激光波长为729nm,由钛宝石激光器MBR-110产生。我们利用Pound-Drever-Hall稳频方法将其锁定于一台超稳腔上,并采用各种措施抑制周围环境的影响,成功获得3Hz的激光线宽。本文总结了作者硕士期间的主要工作,分为以下几个方面： 1.完成了ULE超稳腔的安装、真空制备和精细度测量,同时对光学平台的振动敏感性进行了测量。 2.通过对稳频光路及电路的优化,对噪声、振动和温度的有效控制,成功压窄了MBR-110的线宽。将MBR-110锁定在两台不同材料的超稳腔上,通过拍频实验显示激光线宽约为3Hz, Allan偏差小于1×10-14(1-10s)。 3.自制了4台80MHz的AOM驱动电路和2套160MHz的PD电路并成功用于实验,完成了729nm激光器分别到超稳腔和离子阱系统的光纤噪声消除实验,通过用该激光器探测钟跃迁谱线,获得谱线线宽≤20Hz,明显改善了钙离子光频标的性能。

关键词：激光稳频光学频率标准钛宝石激光器

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不同波长超稳激光系统的远程比对

不同波长超稳激光系统的远程比对

作者：王睿中国计量大学

学位级别：硕士

随着计量科学的快速发展,光学原子钟以其超高的精度与稳定度特性,有望取代铯原子喷泉钟成为新一代的时间频率基准。将在时间产生和保持、相对论验证、卫星导航和大地测量等方面有着重要的应用。其中大多数应用需要将光钟信号进行长距离... 详细信息

随着计量科学的快速发展,光学原子钟以其超高的精度与稳定度特性,有望取代铯原子喷泉钟成为新一代的时间频率基准。将在时间产生和保持、相对论验证、卫星导航和大地测量等方面有着重要的应用。其中大多数应用需要将光钟信号进行长距离的传输。同时,基于目前实验室现状,需要将位于不同地点的几台超稳激光进行比对,验证作为光钟本地振荡器的超稳激光的水平。进行超稳激光的远程比对,主要需要做两种工作。第一,搭建一套可用于长距离超稳激光传输的动态噪声抑制系统,实现远端超稳激光信号的复现。第二,利用光梳将两种不同波长的超稳激光连接起来进行比对。本文主要工作基于上述实验需求展开:1.研究并搭建了一套可用于长距离超稳激光传输的动态噪声抑制系统。工作原理基于迈克尔逊干涉仪,其中光纤链路作为干涉仪的测量臂,频率稳定的激光通过光纤传递到远端,部分通过反射镜反射再次进入光纤,激光在光纤中往返传输时走过的路径相同,间隔时间很短(光纤长度/光速),认为激光在往返传输中光纤施加在光学频率上的噪声相同,通过与干涉仪参考臂比较,得到光纤的噪声信息,以声光调制器作为执行器件,建立PID(Proportion Integration Differentiation)伺服控制系统,补偿光纤的噪声,使得远端输出的激光频率稳定。随后分析了长距离光纤光学频率传递系统的损耗模型,对系统的各个部件进行了损耗优化计算,利用光学元件、光纤元件、驱动电路和控制电路等建立了实际的实验系统,再根据实际的实验参数进行了优化调整。首先在50km的缠绕裸纤中实现对窄线宽激光的相位噪声抑制,测得传输频率不稳定度达到2.3×10(1s),附加线宽被压缩到1.67mHz。然后又通过串联两卷50km缠绕光纤来实现100km缠绕裸纤,利用已搭建好的消噪声系统,实现了实验室内100km缠绕光纤的窄线宽激光传输,得到传输频率不稳定度为5.72×10(1s),附加线宽10mHz。最后利用两条54km平行的通讯光纤构成了108km的传输回路,实现对108km实际链路窄线宽激光传输的相位噪声抑制,得到传输频率不稳定度为1.59×10(1s)。满足当前实验室超稳激光的传输要求。2.利用光梳对超稳激光进行了比对。研究思路是将自制698nm短腔(10cm)窄线宽激光作为光梳的参考标准,将飞秒光梳进行锁定。将商用1542nm超稳激光系统窄线宽激光信号传输到和平里院区,完成了与自制698nm短腔(10cm)窄线宽激光拍频比对的实验。随后利用光梳将1542nm窄线宽激光与698nm长腔(30cm)窄线宽激光进行比对,验证了698nm长腔(30cm)窄线宽激光目前所能达到的水平。首先得到1542nm窄线宽激光与698nm短腔(10cm)窄线宽激光的拍频信号不稳定度为1.6×10(1s)。符合之前的测试结果,证明两台激光器和传输系统正常工作。随后得到1542nm窄线宽激光与698nm长腔(30cm)窄线宽激光的拍频信号频率不稳定度为2.8×10(1s),结果表明了698nm长腔(30cm)窄线宽激光目前可以达到的水平。

关键词：窄线宽激光光学频率标准光纤传输相位噪声抑制激光比对

超稳定Fabry-Perot腔的稳定性研究

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超稳定Fabry-Perot腔的稳定性研究

作者：杨涛北京交通大学

学位级别：硕士

超稳定Fabry-Perot腔广泛应用在激光频率稳定实验中。在这些实验中，激光器的频率稳定性依靠于Fabry-Perot腔腔长的稳定性。振动引起的谐振腔形变是影响超稳定光学谐振腔稳定性的主要因素。文章中，我们利用有限元分析的方法定量地分析... 详细信息

超稳定Fabry-Perot腔广泛应用在激光频率稳定实验中。在这些实验中，激光器的频率稳定性依靠于Fabry-Perot腔腔长的稳定性。振动引起的谐振腔形变是影响超稳定光学谐振腔稳定性的主要因素。文章中，我们利用有限元分析的方法定量地分析了各种形状以及在不同支撑方式下，超稳定Fabry-Perot腔在振动环境中的弹性形变情况。我们的数值计算结果为设计制造超稳腔，使其对振动影响不敏感提供了一种全新的方法。这种方法可以应用在许多激光稳频实验、高精度激光光谱学和光学频率标准测量中。在取得了谐振腔抗振动方面研究的一些成果之后，我们将目光集中于另一个影响超稳腔稳定性的因素上——热噪声。热噪声的分析计算方法由波动损耗原理推导得出。我们对一个常用的谐振腔热噪声进行了数值分析，并通过计算机得到验证。通过分析我们了解到谐振腔产生热噪声的主要因素，为进一步研究减小谐振腔热噪声提供了依据。

关键词：光学谐振腔激光频率稳定技术光学频率标准精密测量热噪声波动损耗原理直接法

基于实地光纤链路的微波与光频信号传递的研究

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基于实地光纤链路的微波与光频信号传递的研究

作者：杭玉菊华中科技大学

学位级别：硕士

当前,时间频率标准技术迅速发展,微波原子钟的频率不确定度已经达到10量级,性能最好的光学原子钟其频率不确定度已进入10量级。基于光学原子钟的频率比对也被认为是重新定义时间“秒”的候选技术方案。然而,基于传统卫星通信的方式已经... 详细信息

当前,时间频率标准技术迅速发展,微波原子钟的频率不确定度已经达到10量级,性能最好的光学原子钟其频率不确定度已进入10量级。基于光学原子钟的频率比对也被认为是重新定义时间“秒”的候选技术方案。然而,基于传统卫星通信的方式已经不能满足时间频率高精度传递的需求。目前发展成熟的光纤通信技术在信号传递过程中几乎不受外界环境中电磁干扰的影响,且通信光纤具有传输损耗低(目前损耗约为0.2 d B/km)、铺设相对简单等优势,因此基于光纤链路远程传递频率标准信号受到广泛关注。本文主要围绕精密重力测量国家重大科技基础设施(PGMF)对时间频率传递的需求展开研究。基于实地光纤链路实现了氢钟信号的高保真传递。另外为了满足将来光钟频率比对的需求,实现了超窄线宽激光的远距离传输。本文的主要工作内容有以下几点:搭建了由精密重力测量大楼A栋到引力中心老楼、精密重力测量大楼A栋到山洞实验室,以及精密重力测量大楼A栋到中国科学院精密测量科学与技术创新研究院(原武汉物理与数学研究)的三条光纤链路,并测试其长度,通过实地光纤链路实现了包括微波信号和光频信号的频率传递。在微波传递过程中,通过精密重力测量大楼到引力中心老楼108实验室的光纤链路,实现了氢钟10 MHz以及100 MHz微波信号的高精度频率传递。测量10 MHz微波信号经过光纤链路附加噪声的频率稳定度在积分时间1 s时是2.0×10,并且随着积分时间的增加频率稳定度在下降,在积分时间10000 s时是2.8×10;100MHz信号经过实地光纤链路引入附加噪声的频率稳定度在积分时间1 s时是5.6×10,在积分时间10000 s时是2.7×10,这一结果满足PGMF需求。为实现团队研制的铝离子光频标信号与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的钙离子光钟进行长期频率比对,首先开展了前期的方案验证性实验。基于窄线宽光纤激光器模拟铝离子光频信号的传递,并实现了光学频率信号通过实地光纤链路从精密重力测量大楼A栋至引力中心老楼的往返传输。为了达到高精度频率传递的要求,实验过程中首先对光频传递系统进行被动隔热以及对光路进行优化。基于电路锁相环技术,实现了光纤链路传递过程中光纤相位噪声的主动反馈与补偿。测量得到噪声底外环信号的附加噪声频率稳定度在积分时间1 s时是1.6×10,在积分时间1000 s时达到9.2×10。接着基于实验室20公里的光纤裸纤进行实验,测量外环信号的附加噪声频率稳定度在积分时间1 s时是9.0×10,在积分时间1000 s达到2.0×10。为了满足将来的光学原子钟频率比对的应用需求,基于精密重力测量大楼A栋到引力中心老楼的实地光纤链路进行了光频信号传输的实验,测量外环信号附加频率稳定度在积分时间为1 s是8.1×10,在积分时间1000 s时是1.8×10。

关键词：光学频率标准频率传递光纤相位噪声补偿窄线宽光纤激光器锁相环

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基于光学干涉仪的精密测量技术

物理与工程 2018年第4期28卷 109-112,118页

作者：马超群陈国庆江南大学理学院江苏无锡214122 江苏省轻工光电工程技术研究中心江苏无锡214122

本文主要介绍了法布里-珀罗干涉仪和迈克耳孙干涉仪的基本特性和工作原理。在此基础上,详述了在光学频率标准的研制过程中,使用高稳定度、高精细度的法布里-珀罗干涉仪获取超稳的本地振荡激光的方法;以及利用基于光纤迈克耳孙干涉仪的... 详细信息

本文主要介绍了法布里-珀罗干涉仪和迈克耳孙干涉仪的基本特性和工作原理。在此基础上,详述了在光学频率标准的研制过程中,使用高稳定度、高精细度的法布里-珀罗干涉仪获取超稳的本地振荡激光的方法;以及利用基于光纤迈克耳孙干涉仪的光纤相位噪声提取和抑制技术,实现光学频率标准的远程精密传输的方法。本文内容有助于加深学生对法布里-珀罗干涉仪和迈克耳孙干涉仪基础知识的理解,了解科学研究发展前沿,激发学生的学习兴趣和科研热情。

关键词：法布里-珀罗干涉仪迈克耳孙干涉仪光学频率标准

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自由空间高精度频率传递技术

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