633nm波長副基準光頻絕對測量實驗

張大鵬，梁志國，張志權，韓海年，嚴家驊，魏志義

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

0 引言

127I2飽和吸收穩頻的633nm He-Ne 激光波長為復現米定義的標準［1］，目前我國現行有效的633nm 長度基準和副基準裝置分別保存在三個單位。其中，基準裝置(編號為D1)保存在中國計量科學研究院(NIM)，副基準裝置分別保存在中航工業北京長城計量測試技術研究所(CIMM)和中國測試技術研究院(NIMTT)，其編號分別為N0.02 和NIMTT-1［2］。為了驗證波長基準與副基準裝置運行狀況，國家質檢總局于2006年組織開展了對633 nm 激光波長基準和副基準的量值比對，此次基準與副基準之間的比對在國內尚屬首次［3］。隨著激光技術的發展，飛秒激光頻率梳建立了微波頻率與光波頻率的直接鏈接，為解決光學頻率直接絕對測量提供了技術手段［4-5］。鑒于此，本研究小組研制了重復頻率為350 MHz、波長范圍為600 ～950 nm 波段、各光頻齒頻率穩定度同步于氫原子鐘的“單塊”結構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 的波長副基準裝置進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往返一次的時間，有

式中:lc為激光器腔長;vg為腔內群速度。

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

式中:vp為腔內相速度;ωc為載波頻率。如圖1(b)所示，飛秒激光脈沖在頻域中表現為等頻率間隔為frep的梳狀光頻譜線，frep為重復頻率，frep=1/τ。fceo為載波包絡相移頻率，對應時域中的載波包絡相移Δφ，在頻域中表現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。總之，飛秒激光脈沖在頻域中表現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 參考頻率標準上，因此飛秒激光頻率梳每條光頻齒的頻率穩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，均為標量值，只給出數值大小，待測光頻fx的表達式為fx=Nfrep±fceo±fbet，在每次進行光頻測量時，式中正負號的選擇由frep，fceo，fbeat的變化規律給出判定。

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［12］，2 為待測光頻NO.02 系統，3 為脈寬壓縮系統，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，最右側為紅光波段，最左側為綠光波段。

圖4 飛秒激光脈沖寬帶光譜分布圖

待測碘穩頻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專用拍頻裝置5 優化后得到拍頻信號fbeat的信噪比大于30 dB，以滿足頻率計數器的強度要求。三個頻率量值的讀取由3 臺同時參考至氫原子鐘10 MHz 參考頻率標準上的頻率計數器完成，計數時采用GPIB-USB 數據線將三臺計數器同步連接以保證測量的準確性。

3 光頻測量結果

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果，各峰值光頻測量結果相對偏差為10-11量級。

表1 各峰值光頻測量結果

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

經測算，與g 峰光頻進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

經計算，本次測量標準偏差為

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定度由不同門時間的阿倫偏差給出，本次測量頻率計數器的計數間隔為1 s，圖5 為1，10，100 s 門時間對應的阿倫偏差。

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年檢定結果(由國家波長基準裝置D1 完成檢定)中頻率穩定度由圖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，其頻齒頻率穩定度同步于氫原子鐘，優于待測對象。待測光頻實測值相對參考值的相對偏差在10-11量級，且2012年檢定結果中待測光頻頻率穩定度優于本次測量。這是由于對于一個碘穩定的He-Ne 激光系統而言，激光頻率的調制寬度、碘室的冷指溫度以及腔內單程功率的改變都會引起輸出激光頻率的變化。這三個參數分別被稱為調制位移參數、溫度位移參數和功率位移參數。在前文所述國內比對及由國家波長基準裝置進行檢定溯源時，這三個參數都調節到國際計量委員會(CIPM)推薦的技術參數和運行條件。本次測量實驗時待測對象的運行狀態處于為完成其對更低頻率穩定度和波長不確定度的熱穩頻激光器檢定而設定的參數狀態，其偏離最佳參數。

4 結論與展望

本實驗利用重復頻率為350 MHz、波長范圍為600～950 nm 波段的“單塊”結構鈦寶石飛秒激光頻率梳，對編號為NO.02 的633 nm 波長國家副基準裝置進行了初步的光頻測量實驗，得到了5 個峰的測量結果，驗證了用飛秒激光頻率梳直接進行光頻絕對測量的可行性，為進一步研究下一代光頻標準—— “光鐘”提供了技術積累。另一方面，本次實驗測量結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定時長［12］，這是由于實驗室環境溫濕度沒有得到精確控制及副基準裝置未工作于國際計量委員會(CIPM)推薦的技術參數和運行條件。鑒于此，后續實驗研究將在溫濕度環境控制理想的超凈間中進行，副基準裝置的工作狀態將嚴格按照國際推薦參數進行設置，以期得到更佳的測量結果。

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

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［3］國家質量監督檢驗檢疫總局.關于633nm 激光波長基準/副基準比對結果的公告:2007年第64 號［EB/OL］.［2014-04-20］.http:∥www.aqsiq.gov.cn.

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［13］張大鵬，韓海年，梁志國，等.一種用于激光頻率測量的拍頻裝置:中國，201110086112［P］.2011- 11- 16［2014-04-16］.