掺铒光纤飞秒光梳及其在光频测量中的应用

发布时间：2020-10-15 03:26

　　 飞秒光梳由于在光学频率测量、光频标、低噪声微波信号产生、天文观测、非线性光学、基本物理常数测量和理论验证等领域中的重要应用,得到了深入的研究。与其它飞秒光梳相比,掺铒光纤飞秒光梳具有可选元器件种类多、价格低廉、易于全光纤化结构设计、工作波长与光通讯波段兼容等优点,成为研究和应用的热点。本论文通过研究飞秒光梳的飞秒激光产生、频率产生和控制等关键技术,探索获得低噪声、高可靠性的应用型掺铒光纤飞秒光梳技术途径。其重要研究内容和创新性的成果如下:在飞秒激光产生方面,分别研究基于非线性偏振旋转(NPR)和半导体饱和吸收体(SESAM)锁模技术激光器的实验方案。分析两个激光器的输出脉冲特性、噪声水平、环境敏感度特性等,讨论两者作为飞秒光梳激光源的优缺点。为解决基于单一锁模技术激光器难以兼顾高可靠和低噪声的问题,提出将NPR和非线性放大环形镜(NALM)两种锁模技术结合的实验方案。实验结果表明,该激光器噪声水平为-130 dBc/Hz@1Hz、-144 dBc/Hz@100Hz,为目前报道的噪声水平最低的光纤激光器。同时该激光器、具有锁模裕度大、能够自启锁、功率转化率高等优点。在飞秒光梳频率产生和控制方面,实验研究了基于NPR锁模技术和混合型锁模技术的飞秒光梳系统频率产生和控制技术,重点论证了利用电光控制器宽带控制重复频率(f_(rep))的技术方案,并测试了上述两种飞秒光梳的相位噪声水平,两者相位抖动均小于1 rad。为了实现利用单一频率控制器件大范围、高带宽飞秒光梳频率控制,提出激光偏振旋转控制飞秒光梳频率的实验方案。与传统的频率控制方法相比,该方法利用飞秒激光整个光学腔的双折射效应,较以往报道的宽带频率控制方法的效率提高了至少一个数量级。利用设计的电光偏振调制器(EOPM)对f_(ceo)进行控制,控制带宽达1.8 MHz,稳定度曲线为1.7×10~(-17)/τ,分别对飞秒光梳梳齿(@1.5μm)和f_r的48次谐波进行控制实验,对应的频率稳定度符合9.8×10~(-15)/τ~(1/2)和2×10~(-17)/τ~(1/2)。在飞秒光梳用于光学频率测量方面,分析了利用飞秒光梳进行光频测量的原理,讨论了利用掺铒光纤光梳进行锶光钟工作激光频率测量的要求。实验上首次利用扩谱、倍频的实验方案,将掺铒光纤飞秒光梳频率扩展到锶光钟工作激光频率处。通过调节非线性光纤参数和放大功率,使锶光钟工作激光对应频率处的单模能量尽量高,最终获得698.5 nm和707 nm处的梳齿单模能量分别为1μW和0.7μW。利用698.5 nm的单频激光与飞秒光梳拍频,获得的拍频信号信噪比达40 dB(分辨率300 kHz),比后续频率计数设备输入信噪比要求高10 dB,提高了频率锁定的鲁棒性。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248;TN253
【部分图文】：

段的元器件在种类、性能和价格等方面都具有得天独厚的优势，促使基纤激光器迅速发展。掺铒光纤飞秒光梳可以实现全光纤结构的飞秒光梳系统，可靠性高。其位于 1.5 μm 的通信波长，方便应用。此外，利用商用非线性光纤/晶较为便利地把掺铒光纤飞秒光梳的工作波长扩展到其他飞秒光梳的直盖范围，解决了掺铒光纤飞秒光梳不能直接覆盖一些应用所需要波长范。目前，掺铒光纤飞秒光梳技术已成为先进的时间频率研究机构共同关。掺铒飞秒光梳的组成飞秒光梳是频率和相位完全受控的飞秒激光器，其典型结构如图 1-1 所飞秒激光器、fceo信号的产生和控制、frep信号的产生和控制三个部分。

第 1 章 绪论三、光频传递和比对未来以原子在光学波段跃迁频率为基准的光钟将代替微波钟成为更为准确的时间频率标准。目前，世界各地的时间频率机构纷纷开展了光钟的研制工作光钟的不确定度已经进入10-18量级，未来的原子核中有可能达到更高的精度[76-8光钟性能评估需要利用多台钟进行频率比对才能完成，为了比对不同实验室的光钟性能，需要高精度时间频率传递系统。目前，全球卫星导航系统（包括 GPSGLONASS、GALILEO）和双向卫星时间频率传递等基于卫星的时间频率传递技术的稳定度为 10-15@1 天[76]，不能满足光钟频率比对的需求。

掺铒光纤飞秒光梳及其在光频测量中的应用 LISA 计划就是基于高精度时间频率标准，利用卫星构建激波探测。电子计数器不能将光钟的原子和离子的高频振动周期“读”出梳将光钟频率转化为可测量的微波频率量，因此飞秒光梳是光。图 1-3 给出了光钟的原理结构示意图，以离子或原子（Al+、+和 Sr、Ag 等）的能级跃迁频率为参考频率源，将探测激光锁源上，然后将飞秒光梳锁定到探测激光上，并利用飞秒光梳将频率分频到微波频率，实现在光频测量。目前，光钟的频率不8的量级[6]。光纤飞秒光梳的频率稳定度已经优于目前最好的的使用。
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本文编号：2841619