飛秒激光頻率梳測量光頻用拍頻裝置的實驗研究

張大鵬，梁志國，張志權，韓海年

(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

光頻測量對科學研究和工程技術有著重要作用，光頻測量結合穩頻激光技術可以將目前幾何量計量基準的準確度提高幾個數量級，并將最終統一長度和頻率計量基準［1～2］。飛秒激光頻率梳技術的引入使得光頻測量在各國實驗室進入實用化研究方面取得革命性的進展，尤其是在利用光纖飛秒激光頻率梳來測量光頻方面。其中，日本計量院 (NMIJ)的科學家Hajime Inaba利用摻餌光纖飛秒激光頻率梳對532 nm碘穩頻Nd:YAG激光器進行了超過一周的連續測量［3］。中國計量科學研究院的孟飛、方占軍等人利用商品化的飛秒激光頻率梳系統也進行了“數天”級長時間的光頻絕對測量實驗。在利用鈦寶石飛秒激光頻率梳測量633 nm波長基準裝置方面文獻報道較少，其中方占軍研究小組利用鈦寶石飛秒激光頻率梳針對633 nm 波長國家基準裝置所進行的光頻測量實驗持續測量時間為40 min［4］。本文所進行的光頻測量實驗是采用鈦寶石飛秒激光頻率梳系統針對中航工業計量所保有的現行有效的633 nm波長國家副基準裝置進行，采用優化設計的拍頻裝置使得光頻測量時間提高到1 h以上。

在利用飛秒激光頻率梳測量光頻時，通過待測光頻與飛秒激光頻率梳中與之頻率值接近的第N條光頻梳齒fN進行拍頻，獲取二者頻率差值fbeat，在同時讀取飛秒激光頻率梳的重復頻率frep、載波包絡相移頻率fceo及飛秒激光頻率梳與待測光頻間拍頻信號的頻率fbeat后，待測光頻的頻率值由公式fx=Nfrep± fceo± fbeat計算得出［5-6］，式中加減關系在飛秒激光頻率梳鎖定時判斷得到。

光頻測量實驗中，重復頻率frep與載波包絡相移頻率fceo可以直接由光電探測器測量飛秒激光頻率梳得到，而拍頻信號的頻率fbeat需通過搭建飛秒激光頻率梳與待測激光的拍頻光路，將激光差頻信號經過光電轉換變為電信號來讀取。由于飛秒激光頻率梳中參與拍頻的頻率梳齒能量極其微弱，常常會遇到兩方面問題:①參與拍頻的兩束光維持空間路徑重合、偏振方向一致的時間較短，這導致了拍頻信號信噪比隨時間逐漸下降，不利于長時間測頻;②拍頻信號信噪比不高，不足以觸發頻率計數器讀數。這兩個問題的存在直接關系到飛秒激光頻率梳測量光頻的成敗［7］。本文針對上述兩個問題設計了一套飛秒激光頻率梳測量光頻用的拍頻裝置，一方面在光路的準直重合、穩定維持方面采取了相應的光學、機械結構優化;另一方面在拍頻信號信噪比不足方面采取了先濾波后放大的措施，最終在利用600～950 nm波段飛秒激光頻率梳測量633 nm碘穩頻激光頻率時驗證了其可行性。

1 裝置結構設計與工作原理

圖1給出了飛秒激光頻率梳測量光頻用拍頻裝置結構示意圖，圖中的器材17～23屬于外圍設備，分別為飛秒激光頻率梳、待測光頻及53132A頻率計數器。1a～7a，1b～7b及8～16為拍頻裝置內部所有光電器件器件，均采用高穩定底座固定于隔振光學面板。拍頻裝置中光學部分的調節以偏振分光棱鏡 (PBS)8上鍍有的偏振分光膜的中心為基準;1a～4a，1b～4b為準直定位小孔光闌，其基于兩點確定一條直線的原理成對使用，用于對參與拍頻的兩光束行程限位，調節時配合反射鏡6a，6b，7a，7b使用，以確保參與拍頻光束在空間路徑上完全重合;格蘭棱鏡9適用波段為400～700 nm，消光比為106∶1，與半波片5a，5b及偏振分光棱鏡8配合調節，以確保參與拍頻的兩光束偏振方向一致;光柵10為每1 mm有1200條刻線的鍍金刻劃光柵，用于對拍頻后的光束在空間上按波長排列分光，再通過小孔光闌12，可以將633 nm為中心波段的窄帶拍頻光束選取出來經由聚集透鏡13會聚到光電探測器 (APD)14，轉化為電信號fbeat，此時該信號的信噪比低于30 dB，無法由頻率計數器讀取，需經過濾波器15濾波后再由低噪聲電信號放大器16進一步放大，此處得到拍頻信號fbeat信噪比大于30 dB，滿足讀數信噪比要求。

圖1 飛秒激光頻率梳測量光頻用拍頻裝置

針對引言中所提到的拍頻信號信噪比低、高信噪比拍頻信號維持時間短的問題，可通過圖1中拍頻裝置得到改善，拍頻裝置中準直定位小孔光闌對參與拍頻的兩光束在空間傳輸路徑上可以起到嚴格的限位作用，隨時間發生空間偏移的兩束光可以通過調節反射鏡使光束重新通過小孔光闌得以修正以避免信噪比隨時間的降低;聚焦透鏡前的小孔光闌12在選取拍頻光束中633 nm窄波段光頻的同時，濾除了其他頻段的背景光強，也起到了提高拍頻信號信噪比的作用;在空間路徑嚴格重合的基礎上通過調節波片、格蘭棱鏡可以改變參與拍頻的兩束光的偏振態，再由濾波器及低噪聲放大器同時對拍頻信號進行放大，這幾項因素同時綜合作用對提高拍頻信號信噪比也起到關鍵作用。

2 光頻測量實驗

利用圖1所示拍頻裝置，本文開展了飛秒激光頻率梳測量碘穩頻633 nm激光器e峰光頻的實驗。所用飛秒激光頻率梳光譜范圍為600～950 nm，激光工作物質為2 mm長的摻鈦藍寶石晶體，采用532 nm激光進行泵浦，平均輸出功率為50 mW，重復頻率為350 MHz，平均單根光頻梳齒的功率為95 nW，光譜曲線如圖2所示，在633 nm處有一功率峰值。實驗中待測碘穩頻633nm激光器的輸出功率為100 μW，經防回光隔離器后到達拍頻裝置處的功率為80 μW ，其e吸收峰參考頻率值為 f=473612366.961 MHz［8］。

圖2 飛秒激光頻率梳光譜曲線圖

實際測量e峰頻率時，600～950 nm波段飛秒激光頻率梳通過鎖定電路將重復頻率frep、載波包絡相移頻率fceo鎖定到氫原子鐘10 MHz參考頻率標準上，在frep和fceo同時鎖定的前提下調節拍頻裝置光電器件得到拍頻信號fbeat信噪比為36 dB，通過3臺頻率計數器由GPIB-USB數據線連接至電腦同時讀取了3個頻率值。圖3、圖4、圖5分別給出了3個頻率同時測量4202 s時間段內的頻率值變化曲線。

圖3 重復頻率frep變化曲線

圖4 載波包絡相移頻率fceo變化曲線

圖5 碘穩頻633 nm激光e峰頻率變化曲線

633 nm激光器e峰光頻值測量結果:實驗中飛秒激光頻率梳載波包絡相移頻率fceo=21.8415232199160 MHz，重復頻率frep=349.4643715333480 MHz，故可得與633 nm激光器e峰光頻拍頻的梳齒序列號為N=1355252。根據飛秒激光頻率梳鎖定時frep和fceo的變化規律可得待測光頻的頻率值計算公式為fx=Nfrep-fceo+fbeat，最終計算得出本實驗4202 s的測量時間內，碘穩頻633 nm激光器e峰實測頻率值為473612367.000 MHz，與參考值差值為0.039 MHz，標準偏差為34 kHz。頻率測量值在不同平均時間下的阿倫偏差由圖6給出，其中1 s對應的阿倫偏差為3.30×10-11，10 s對應的阿倫偏差為2.29×10-11，100 s對應的阿倫偏差為3.25×10-11，1000 s對應的阿倫偏差為1.88×10-11。

圖6 frep，fceo及e峰頻率fxT的阿倫偏差

3 結論

本文針對飛秒激光頻率梳單根頻率梳齒能量小、在實際測量激光頻率時遇到的拍頻信號信噪比低、高信噪比拍頻信號維持時間短的問題，在光路的準直重合、穩定維持方面采取了相應的光學、機械結構優化以及對拍頻信號采取先濾波后放大的措施，在上述措施綜合作用下進行了碘穩頻633 nm激光器e峰頻率的絕對測量實驗，得到了4202 s的測量數據:碘穩頻633 nm激光e峰實測頻率值為473612367.000 MHz，與參考值差值為0.039 MHz，標準偏差為34 kHz。

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