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成果通过鉴定,中航工业计量所成功研制光纤飞秒激光器

2019-11-19 01:25

中国航空报讯:近日,中航工业计量所重点实验室的飞秒激光课题组成功研制1.03μm掺镱光纤飞秒激光器和1.55μm掺铒光纤飞秒激光器。这标志着计量所在腔内色散补偿光纤激光技术方面达到了国内领先水平,也为实现小型化便携式的飞秒激光频率梳奠定了良好的开端基础。

精密计量是现代科学技术发展的重要基础,高精度的时间频率标准不仅是物理学的前沿研究内容之一,也是目前最精确的计量单位。光学频率梳作为链接微波频率标准与光学频率标准的核心技术,自1999年发明以来,极大地推动了精密计量科学的革命性进展。作为“超快”与“超稳”特性的结合,飞秒光学频率梳融“超宽的光谱”与“超稳的光频”于一身,经历近二十年的发展,已从需要在特殊实验室精心呵护的“婴儿”,成长为可在众多领域尽显身手的“超人”,为光学原子钟、时频计量、空间远距离精密测距、地外天体探测、超分辨光谱学、阿秒脉冲产生等前沿方向的开拓与研究提供了强有力的工具。随着目前光钟的稳定度达到10-18量级,作为计时和传递比对的光梳稳定度也同样要求优于10-18,并且相噪线宽小于1Hz,因此发展高稳定度的光梳,是实现高精度光钟的重要保证。掺镱光纤激光器由于具有效率高、光谱宽、结构紧凑、运行稳定等优良特性,近年来已成为飞秒光梳研究及产品化的主流方案之一。

2013年8月2日,教育部委托北京大学组织的“高重复频率环形腔光纤激光器及频率梳”成果鉴定会在北京大学理科二号楼召开。鉴定会由天津大学精密仪器与光电子工程学院教授、中国科学院院士姚建铨主持。出席鉴定会的有国家自然科学基金委员会信息科学部潘庆研究员、北京航空航天大学副校长张广军教授,以及来自清华大学、中国科学院物理研究所、武汉物理与数学研究所、西安光学精密机械研究所、光电研究院、国家授时中心、国家天文台,华东师范大学等单位激光频率标准和仪器研制领域的知名学者。

光纤飞秒激光器以其小型化、便携化、风冷却、低成本和稳定性高等优势被认为是新一代的飞秒激光器,是光纤频率梳的核心种子光源,光纤频率梳已成为很多高端研究的基础科学仪器,例如光钟的频率测量、引力波的测量、高精度绝对距离测量,导航定位以及时间频率标准传递等。

由于光梳融合了超快激光及时频计量两个领域的共同前沿内容,中国科学院物理研究所计量测试高技术联合实验室早在2001年就开展了光梳的研究,在中科院及基金委、科技部有关项目的支持下,他们以自己研制的飞秒钛宝石激光为基础,先后研制成功基于f-2f结构及0-f结构的光梳,其中后者通过技术上的创新,得到了主要指标优于其他光梳公开报道的结果。最近该联合实验室暨L07组通过进一步将掺镱飞秒光纤光梳的重复频率frep及载波包络相移频率fceo分别锁定到超稳激光参考源,测得了秒稳为2×10-18/s的频率稳定性结果,相比锁定至射频源的传统方案,频率稳定度提高了5~6个数量级。

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以光纤飞秒激光频率梳为核心的精密光谱源标准装置的建立,不仅为我国国防、军事等领域广泛应用的红外激光源提供精密的校准测试服务,而且为将来便携式激光跟踪仪、小型化激光雷达等高新武器提供更精密的激光源。此外,光纤激光频率梳的研究还可改进现有的全球定位系统、提高全球定位系统的精度,同时为战略武器导航、全球通信、航空航天、探矿、救援等涉及国防安全的领域提供精确地的定位,使我国在该领域的工作彻底摆脱对国外的封锁和限制,它的建立还可以将长度、时间和频率等物理量统一到极高精度的标准,最终促成新一代全球定位系统的产生。

为了开展该项研究,首先他们利用Pound-Drever-Hall技术将一台波长为972 nm的连续波半导体激光器锁定至精细度大于20万的超稳F-P腔上,通过不断优化实验,实现了锁定时长超过一个月的窄线宽超稳运行。与此同时,他们在将飞秒掺镱光纤激光放大并展宽光谱到大于一个倍频程的基础上,采用标准的f-2f自参考技术拍频得到了信噪比为40 dB(300 kHz分辨率)的fceo信号,并结合锁相环技术成功将该fceo信号锁定至20 MHz的射频参考源,在1 秒的门时间下,其阿伦方差为1.2×10-17。最后通过将掺镱飞秒光纤光梳超连续谱中的972nm光谱成分与超稳半导体激光的972 nm连续波长相干外差拍频,并利用PLL技术将得到的拍频信号 fbeat锁定,在3小时的连续运行时间内测得锁定后的fbeat频率偏移量的均方根值为575 μHz,对应环内频率不稳定度为2×10-18/(sqrt{τ})。综合已有文献报道,该结果是迄今掺镱光纤光梳所得到的最高频率稳定性结果,相关结果发表在《光学快报》(Optics Express,2428993上。

 

1.03μm和1.55μm光纤飞秒激光器的成功研制为计量所自主研制的小型化便携式飞秒激光器奠定了基础,为我国高功率光纤飞秒激光技术进一步实现工程化应用方面开拓了广阔的前景。 来源:中国航空新闻网

该项研究获得了科技部“973”项目(2012CB821304)及国家自然科学基金项目(批准号11674036, 11078022 和 61378040)的支持。

会议现场

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会上,学校科学研究部成果专利办公室主任张铭首先宣读了教育部的委托文件和鉴定申请批复;随后,信息科学技术学院副院长查红彬教授代表组织鉴定单位致欢迎词。

图1.超稳掺镱光纤光学频率梳整体装置示意图

信息学院“长江”特聘教授张志刚代表成果完成单位作研制报告,介绍了北京大学和中国计量科学研究院近年来在高重复频率光纤激光器和频率梳的理论、技术和器件上的发明以及系列成果。鉴定会专家对成果进行了质询和讨论,并对成果完成单位所研制的无放大级一体化559 MHz光纤激光频率梳进行了现场考察。

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图2. a) 在300 kHz的分辨率下的fbeat信号;b) 锁定后的fbeat频率漂移;c) 阿伦方差

 

现场考察

鉴定专家充分肯定了北大和中国计量院在高重复频率激光器和频率梳研究中所取得的创造性成果,一致认为据此所研制的无放大级一体化光纤激光频率梳达到国际先进水平,建议尽快加强实用化研究,特别是加快其在天文光谱定标和精密测距中的应用。

相关链接:光学频率梳

光学频率梳是指在频率域上一系列等间隔的分立光谱,可以由重复频率和初始频率锁定的锁模激光器构成,在20世纪90年代飞秒激光器、光子晶体光纤及自参考拍频法等技术发明的基础上发展而成。J. Hall和T. Hansch因对频率梳的杰出贡献而获得2005年度诺贝尔物理学奖。

光学频率梳自发明十几年来,由最初的钛宝石激光频率梳逐渐向小型化、低成本的光纤激光频率梳转变,稳定性不断提高,应用范围不断扩大。北京大学等单位的贡献是创新性地提出了提高光纤激光器重复频率的理论、技术和器件,突破了传统光学元器件对光纤激光器腔长的限制和常规光子晶体光纤对入纤功率的限制。据此,北京大学首创性地研制出重复频率高达750 MHz的光纤激光器和无需放大级的一体化559 MHz频率间隔的光纤激光频率梳,大幅提高了梳齿间隔,缩短了脉冲宽度,减少了噪声,降低了成本。

光学频率梳主要应用在精密光学频率测量、光谱定标、绝对距离测量、射频光子学等领域,是基本物理常数测量、类地行星探测、暗物质暗能量研究、光频原子钟、高速光通信光源产生等必不可少的工具。

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      北京大学新闻中心官方微博

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