633nm波長副基準(zhǔn)光頻絕對測量實驗

張大鵬，梁志國，張志權(quán)，韓海年，嚴(yán)家驊，魏志義

(1.中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095;2.中國科學(xué)院物理研究所，北京100080)

0 引言

127I2飽和吸收穩(wěn)頻的633nm He-Ne 激光波長為復(fù)現(xiàn)米定義的標(biāo)準(zhǔn)［1］，目前我國現(xiàn)行有效的633nm 長度基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)裝置分別保存在三個單位。其中，基準(zhǔn)裝置(編號為D1)保存在中國計量科學(xué)研究院(NIM)，副基準(zhǔn)裝置分別保存在中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所(CIMM)和中國測試技術(shù)研究院(NIMTT)，其編號分別為N0.02 和NIMTT-1［2］。為了驗證波長基準(zhǔn)與副基準(zhǔn)裝置運行狀況，國家質(zhì)檢總局于2006年組織開展了對633 nm 激光波長基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)的量值比對，此次基準(zhǔn)與副基準(zhǔn)之間的比對在國內(nèi)尚屬首次［3］。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光頻率梳建立了微波頻率與光波頻率的直接鏈接，為解決光學(xué)頻率直接絕對測量提供了技術(shù)手段［4-5］。鑒于此，本研究小組研制了重復(fù)頻率為350 MHz、波長范圍為600 ～950 nm 波段、各光頻齒頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘的“單塊”結(jié)構(gòu)鈦寶石飛秒激光頻率梳，并利用該飛秒激光頻率梳對編號為NO.02 的波長副基準(zhǔn)裝置進(jìn)行了光頻絕對測量實驗。

1 飛秒激光頻率梳測量光頻基本原理

圖1 給出了飛秒激光脈沖在時、頻域中的分布特性。如圖1(a)所示，飛秒激光脈沖在時域中表現(xiàn)為等時間間隔為τ 的巨脈沖序列，τ 為激光脈沖在諧振腔內(nèi)往返一次的時間，有

式中:lc為激光器腔長;vg為腔內(nèi)群速度。

由于諧振腔內(nèi)色散的存在會引起激光脈沖群速度與相速度的不同，這將導(dǎo)致激光脈沖在腔內(nèi)每往返一次后，載波與包絡(luò)之間產(chǎn)生相位的差值，稱為載波包絡(luò)相移Δφ，有

式中:vp為腔內(nèi)相速度;ωc為載波頻率。如圖1(b)所示，飛秒激光脈沖在頻域中表現(xiàn)為等頻率間隔為frep的梳狀光頻譜線，frep為重復(fù)頻率，frep=1/τ。fceo為載波包絡(luò)相移頻率，對應(yīng)時域中的載波包絡(luò)相移Δφ，在頻域中表現(xiàn)為飛秒激光脈沖梳狀光頻譜線相對于零頻整體向右偏移的頻率量?？傊?，飛秒激光脈沖在頻域中表現(xiàn)為等頻率間隔的孤立的梳狀光頻齒序列，第N 條光頻齒的頻率值fN表達(dá)式為fN=Nfrep+fceo。本實驗將600 ～950 nm 波段鈦寶石飛秒激光脈沖的frep與fceo信號參考至氫原子鐘10 MHz 參考頻率標(biāo)準(zhǔn)上，因此飛秒激光頻率梳每條光頻齒的頻率穩(wěn)定性同步于氫原子鐘［6-8］。

圖1 飛秒激光脈沖在時、頻域中的分布特性

如圖2所示，在利用飛秒激光頻率梳測量待測光頻fx時，飛秒激光頻率梳中頻率值最接近于fx的光頻齒fN與其相干拍頻，產(chǎn)生的頻率差值為fbeat，因此待測光頻fx可以表示為fx=fN+fbeat［9-11］，實際進(jìn)行光頻測量實驗時，frep，fceo，fbeat三個頻率值均由光電探測器給出，均為標(biāo)量值，只給出數(shù)值大小，待測光頻fx的表達(dá)式為fx=Nfrep±fceo±fbet，在每次進(jìn)行光頻測量時，式中正負(fù)號的選擇由frep，fceo，fbeat的變化規(guī)律給出判定。

圖2 頻域中光頻測量拍頻示意圖

2 光頻測量實驗裝置

圖3 為利用飛秒激光頻率梳測量編號為NO.02 的波長副基準(zhǔn)裝置絕對光頻值所用實驗裝置，圖中1 為飛秒激光頻率梳系統(tǒng)［12］，2 為待測光頻NO.02 系統(tǒng)，3 為脈寬壓縮系統(tǒng)，4 為光子晶體光纖擴譜裝置，5 為專用拍頻裝置［13］。

圖3 光頻測量實驗裝置

飛秒激光頻率梳的平均輸出功率為50 mW，重復(fù)頻率為350 MHz，單根光頻梳齒的平均功率為95 nW，光譜范圍為600 ～950 nm，圖4 展示的為該光脈沖寬帶光譜分布對應(yīng)情況。其中圖4(a)為光譜儀所測600 ～950 nm飛秒激光頻率梳光譜曲線圖，圖4(b)為經(jīng)衍射光柵分光后光譜空間分布照片，其與圖4(a)波段分布相對應(yīng)，最右側(cè)為紅光波段，最左側(cè)為綠光波段。

圖4 飛秒激光脈沖寬帶光譜分布圖

待測碘穩(wěn)頻633 nm 激光器參與拍頻的功率為80 μW，兩束參與拍頻的光源經(jīng)專用拍頻裝置5 優(yōu)化后得到拍頻信號fbeat的信噪比大于30 dB，以滿足頻率計數(shù)器的強度要求。三個頻率量值的讀取由3 臺同時參考至氫原子鐘10 MHz 參考頻率標(biāo)準(zhǔn)上的頻率計數(shù)器完成，計數(shù)時采用GPIB-USB 數(shù)據(jù)線將三臺計數(shù)器同步連接以保證測量的準(zhǔn)確性。

3 光頻測量結(jié)果

本實驗分別測量了NO.02 激光器的c 峰、d 峰、e峰、g 峰、h 峰的絕對光頻值，表1 給出各峰值的測量結(jié)果，各峰值光頻測量結(jié)果相對偏差為10-11量級。

表1 各峰值光頻測量結(jié)果

以g 峰為例，其光頻測量時間為1391 s，期間三臺頻率計數(shù)器同步記錄frep，fceo，fbeat三個頻率值，得到其均值分別為

經(jīng)測算，與g 峰光頻進(jìn)行拍頻的梳齒序列號為N=1355223，又由頻率測量前frep，fceo，fbeat的變化規(guī)律，得到待測光頻絕對頻率值計算公式為

將公式(3)中各頻率值代入(4)式，最終計算得到g 峰實測光頻絕對值為

f633-g=473612340.4103 MHz

經(jīng)計算，本次測量標(biāo)準(zhǔn)偏差為

s633-g=6.6359×10-2MHz

相對于理論值的差值為Δf633=0.0103 MHz，相對于理論值的相對偏差為Δf633/ f633=2.17×10-11。

對于測量期間各頻率值的頻率穩(wěn)定度由不同門時間的阿倫偏差給出，本次測量頻率計數(shù)器的計數(shù)間隔為1 s，圖5 為1，10，100 s 門時間對應(yīng)的阿倫偏差。

由圖分析，frep頻率值1 s 及10 s 門時間的阿倫偏差為10-13量級，100 s 時阿倫偏差為10-14量級，同步于氫原子鐘。待測對象2012年檢定結(jié)果(由國家波長基準(zhǔn)裝置D1 完成檢定)中頻率穩(wěn)定度由圖6給出。

圖5 frep，fceo，fbeat阿倫偏差

圖6 待測光頻阿倫偏差

在本次光頻絕對測量實驗中，作為光頻測量工具的飛秒激光頻率梳，其頻齒頻率穩(wěn)定度同步于氫原子鐘，優(yōu)于待測對象。待測光頻實測值相對參考值的相對偏差在10-11量級，且2012年檢定結(jié)果中待測光頻頻率穩(wěn)定度優(yōu)于本次測量。這是由于對于一個碘穩(wěn)定的He-Ne 激光系統(tǒng)而言，激光頻率的調(diào)制寬度、碘室的冷指溫度以及腔內(nèi)單程功率的改變都會引起輸出激光頻率的變化。這三個參數(shù)分別被稱為調(diào)制位移參數(shù)、溫度位移參數(shù)和功率位移參數(shù)。在前文所述國內(nèi)比對及由國家波長基準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定溯源時，這三個參數(shù)都調(diào)節(jié)到國際計量委員會(CIPM)推薦的技術(shù)參數(shù)和運行條件。本次測量實驗時待測對象的運行狀態(tài)處于為完成其對更低頻率穩(wěn)定度和波長不確定度的熱穩(wěn)頻激光器檢定而設(shè)定的參數(shù)狀態(tài)，其偏離最佳參數(shù)。

4 結(jié)論與展望

本實驗利用重復(fù)頻率為350 MHz、波長范圍為600～950 nm 波段的“單塊”結(jié)構(gòu)鈦寶石飛秒激光頻率梳，對編號為NO.02 的633 nm 波長國家副基準(zhǔn)裝置進(jìn)行了初步的光頻測量實驗，得到了5 個峰的測量結(jié)果，驗證了用飛秒激光頻率梳直接進(jìn)行光頻絕對測量的可行性，為進(jìn)一步研究下一代光頻標(biāo)準(zhǔn)—— “光鐘”提供了技術(shù)積累。另一方面，本次實驗測量結(jié)果與國際推薦值存在10 kHz 量級的頻率偏差值，并且光頻測量時長小于飛秒激光頻率梳自身穩(wěn)定時長［12］，這是由于實驗室環(huán)境溫濕度沒有得到精確控制及副基準(zhǔn)裝置未工作于國際計量委員會(CIPM)推薦的技術(shù)參數(shù)和運行條件。鑒于此，后續(xù)實驗研究將在溫濕度環(huán)境控制理想的超凈間中進(jìn)行，副基準(zhǔn)裝置的工作狀態(tài)將嚴(yán)格按照國際推薦參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以期得到更佳的測量結(jié)果。

致謝:在利用飛秒激光頻率梳進(jìn)行光頻測量的實驗研究中，華東師范大學(xué)馬龍生老師多次給出建設(shè)性方案，并親臨本實驗室進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，北京工業(yè)大學(xué)李港老師和中國計量科學(xué)研究院錢進(jìn)老師也多次給予幫助，在此表示感謝。

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［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.關(guān)于633nm 激光波長基準(zhǔn)/副基準(zhǔn)比對結(jié)果的公告:2007年第64 號［EB/OL］.［2014-04-20］.http:∥www.aqsiq.gov.cn.

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