作者:姚远等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2016/10/24 9:59:23
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基于光梳的高精度光学分频器的原理和性能测试结果

光学分频器的基本功能图

    利用光学倍频测量光学分频器的分频精度(用光学分频器(OFD)建立了1064 nm激光与532 nm激光的频率关系:f532=f1064-1/Rx,用光学倍频器(SHG)建立了532 nm激光与第二台1064 nm激光的关系:f532=f1064-2/0.5,通过测量两个1064 nm激光的拍频频率,可以精确测量光学分频器的分频数Rx,并与预先设定的Rx进行比较。)

数字分频器已广泛地应用在日常生活、高科技和科学研究中。它能够对输入信号在音频至微波波段的频率(fin)进行除法运算,使输出信号的频率精确为fin/R,并高保真地将输入信号的相位、频率稳定性和精度都传递给输出信号。

自激光诞生以来,科学家一直在探索如何在光学波段建成同样的分频器,即光学分频器。在很长一段时间内,人们只能利用非线性效应实现特定比值的光学频率转换,如光学倍频能实现fout = fin/0.5的光学频率转换,但还不能在光学波段实现任意数的分频。光学频率梳的发明为建立光学分频器铺平了道路。

2003年华东师范大学(ECNU)精密光谱科学与技术国家重点实验室联合美国标准技术国家实验室(NIST)和国际计量局(BIPM)在美国开展了四台光学频率梳的国际比对研究,首次证明用光学频率梳对光学频率的分频不确定度可达到10-19(Long-Sheng Ma, et al. Science 2004; 303: 1843)。经过12年的努力,ECNU的研究小组攻克多项关键技术,并巧妙地将它们组合起来,建成了一种新型的光学分频器。该光学分频器能对输入光的频率fin进行任意数R的分频,使输出光的频率精确为fin/R,其功能与微波数字分频器一样。由于采用了自参考频率基准技术,它不再需要精度远低于光钟的微波频率基准(如氢原子钟),也不必通过精确测量输入和输出光的频率来确定它们的分频数,因此它具有更高的分频精度。通过与非线性光学倍频器(分频数严格等于0.5的光学分频器)进行比对测量,即比对两种工作原理完全不同的分频器,证明该光学分频器的分频不确定度可达到10-21。并且,该光学分频器能实现多个通道同时分频,可同时测量多个不同光学频率之间的比值。

光学分频器是开展原子光钟应用研究不可缺少的关键技术。近十年原子光钟研究取得了令人瞩目的研究成果,它的不确定度已达到10-18,超越了微波原子钟,并向更高的精度推进。如此高精度的原子光钟开辟了许多重要的应用领域:如通过测量不同光钟之间的频率比值,可探索精细结构常数是否随时间而变化;在测地学中,将光钟频率精确地转换到光纤通讯波段,通过测量由光纤连接的、位于不同地点的光钟频率的相对变化可以研究重力势的变化,从而反映地貌的变化情况;在计量学中,时间基本单位“秒”有望由光钟重新定义,为此需要在不同光钟之间进行频率比对研究,以证明光钟频率有更好的精度和复现性;而在原子分子光谱学中,需要将光钟频率精密转换到其他光频谱范围,从而提高精密光谱的测量精度。这些应用都需要在不同光钟之间实现光学频率转换,包括将光钟频率精确地转换到其他光学波段或光纤通讯波段,且在频率转换过程中精确地知道输入与输出光学频率的比值。

《国家科学评论》最近发表的由华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的姚远等5位作者共同撰写的“分频不确定度达到10-21的光学分频器”研究论文(http://nsr.oxfordjournals.org/content/early/2016/10/01/nsr.nww063),介绍了基于光梳的高精度光学分频器的原理和性能测试结果。测量结果显示,该光学分频器在分频过程中产生的误差比当今最好光钟的精度还小三个数量级,因而在分频过程中不会降低光钟的性能。可以期待这个前所未有的分频精度将在光钟应用及精密测量中发挥重要的作用。(来源:科学网)

 
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