通信波段超稳激光器工程化关键技术研究及应用
发布时间：2021-02-20 04:53
超稳激光器具有高的频率稳定性、窄的线宽及低的相位噪声等优势,因而在高分辨率光谱学、光学原子钟、引力波探测、低噪声微波源及光学频率传输等领域都有着重要的应用。目前,光学原子钟的频率不确定度及稳定度已实现10-19量级,为了将其信号能够高保真传送给各个用户,光纤光学频率传递是重要手段之一。为了保证光纤光学频率传递的稳定度,需要超稳激光器作为传递光源。目前,商用通信波段激光器线宽约为百Hz量级以上,尚不能满足长距离光纤光学频率传递的高稳定度要求,需研制通信波段的超稳激光器作为传递光源。中科院国家授时中心承担着我国十三五“高精度地基授时系统”项目,为满足项目对于光纤光学频率传递系统的要求,需开展通信波段超稳激光器的工程化研究。本文主要围绕通信波段超稳激光器工程化关键技术开展研究,主要研究成果为以下四个内容:一、研制了两套1550nm超稳激光器原理样机。（1）针对其中一台光学参考腔输出镜的污染问题(HG00模的精细度约为148000,耦合效率约为11.9%,系统的剩余幅度噪声大于1.5×10-15@0.1s-100s),提出利用H...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)陕西省
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1.1时钟发展史
通信波段超稳激光器工程化关键技术研究及应用4路上实现了高精度的光纤光学频率信号传递，传递稳定度达到了4×10-19@400s[27]；在2015年，德国PTB和法国LNE-STRTE两个研究小组利用光纤光学频率传递技术，首次实现了两个国家的锶原子光钟比对。在1415km光纤链路上，将锁定在两台锶原子光钟上的光学频率信号传递到了中间点-斯特拉斯堡。通过比对，测得两台锶原子光钟的频率稳定度为3×10-17@3000s[31]。图1.2欧洲光纤时间频率传输项目的OFTEN传输网在高精度光纤光学频率传递领域，我国相关单位也开展了研究，包括华东师范大学和中国科学院国家授时中心等研究单位[32-34]。在2015年，华东师范大学在82km（32km城市光纤：32km、光纤盘：50km）的光纤链路上进行了光纤光学频率传递系统的研究，实验测得传递光源的相对线宽展宽为1mHz，频率传递稳定度为4×10-19@10000s[32]；在2016年，中国科学院国家授时中心在112km的实地光纤链路上，实现了传递稳定度为4×10-29@10000s的光纤光学频率传递系统[33]。在2018年，利用224km的实地光纤链路完成了传递稳定度为7.7×1019@10000s的实验测试[34]。为了推进高精度时间频率传递技术在光学原子钟比对、相对论验证、精密测量等基础科研和工程技术领域的应用，我国启动了十三五“高精度地基授时系统”项目，光纤光学频率传递作为该项目的重要组成部分，将利用我国现有遍布全国的通信光纤网络为国内多个科研及工程单位提供高精度的时间频率信号。在“高精度地基授时系统”项目中，光纤光学频率传递网路的预计分布图如图1.3所示。
第1章绪论5图1.3高精度地基授时系统光纤光学频率传递系统分布图在高精度光纤光学频率传递系统中，超稳激光器作为传递源可为其传递精度提供重要的保证。中国科学院国家授时中心作为“高精度地基授时系统”项目的主要承担单位，为了保证项目中光纤光学频率传递系统的研制任务能够顺利进行，因此，开展了线宽为Hz量级的通信波段超稳激光器工程化关键技术研究。1.3超稳激光器的研究进展早在1916年，爱因斯坦就已经提出了激光产生的基本原理，但由于相关工艺及技术的限制，直到1958年，当美国科学家肖洛和汤斯将氖光灯照射到一种稀土晶体上时，发出一束鲜艳、始终聚在一起的强光，即激光的现象。1960年5月，美国休斯实验室的西奥·多梅曼首次利用红宝石获得了694.3nm的激光，同年7月份研制出了首台红宝石激光器。由于激光具有很好的单色性、空间相干性和时间相干性等特点，因而使其被广泛的应用于各个科学研究以及工程领域。在物质吸收能量后低能级上的原子将会跳到高能级上，通常情况下高能级的原子都处于不稳定状态，原子又会跳回低能级，多余的能量将以光子的形式发射出来。激光就是光学谐振腔中的激励物质在吸收激励源提供的能量后，大量低能级原子将跳到高能级，从而发射出大量相位、方向、频率各不相同的光子，这些光子在经过光学谐振腔筛选后，得到相位、频率和运动方向相同的光子，选出的光子又回到激励物质中，诱发出都相同特性的光子束，从而形成激光。在理论上，若只考虑激励物质自发辐射噪声对激光线宽的影响，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Strontium optical lattice clock at the National Time Service Center[J]. 王叶兵,尹默娟,任洁,徐琴芳,卢本全,韩建新,郭阳,常宏. Chinese Physics B. 2018(02)
[2]Coherent Transfer of Optical Frequency over 112 km with Instability at the 10-20 Level[J]. 邓雪,刘杰,焦东东,高静,臧琦,许冠军,董瑞芳,刘涛,张首刚. Chinese Physics Letters. 2016(11)
[3]高热稳定性高精细度光学法布里-珀罗腔系统[J]. 王兴昌,李少康,李刚,张天才. 光学学报. 2017(01)
[4]Optical coherence transfer over 50-km spooled fiber with frequency instability of 2×10-17 at 1s[J]. 马超群,吾利飞,蒋燕义,于洪浮,毕志毅,马龙生. Chinese Physics B. 2015(08)
[5]激光稳频的共焦法布里-珀罗干涉仪[J]. 孙旭涛,刘继桥,周军,陈卫标. 中国激光. 2008(07)
[6]菲涅耳衍射及柯林斯公式的快速傅里叶变换计算[J]. 李俊昌. 光电子·激光. 2001(05)
博士论文
[1]掺铒光纤飞秒光梳及其在光频测量中的应用[D]. 张颜艳.中国科学院大学(中国科学院国家授时中心) 2018
[2]超窄线宽激光及其在光钟中的应用[D]. 蒋燕义.华东师范大学 2012
硕士论文
[1]甚长基线干涉测量精密定轨技术[D]. 朱英盼.电子科技大学 2015
本文编号：3042255
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)陕西省
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1.1时钟发展史
通信波段超稳激光器工程化关键技术研究及应用4路上实现了高精度的光纤光学频率信号传递，传递稳定度达到了4×10-19@400s[27]；在2015年，德国PTB和法国LNE-STRTE两个研究小组利用光纤光学频率传递技术，首次实现了两个国家的锶原子光钟比对。在1415km光纤链路上，将锁定在两台锶原子光钟上的光学频率信号传递到了中间点-斯特拉斯堡。通过比对，测得两台锶原子光钟的频率稳定度为3×10-17@3000s[31]。图1.2欧洲光纤时间频率传输项目的OFTEN传输网在高精度光纤光学频率传递领域，我国相关单位也开展了研究，包括华东师范大学和中国科学院国家授时中心等研究单位[32-34]。在2015年，华东师范大学在82km（32km城市光纤：32km、光纤盘：50km）的光纤链路上进行了光纤光学频率传递系统的研究，实验测得传递光源的相对线宽展宽为1mHz，频率传递稳定度为4×10-19@10000s[32]；在2016年，中国科学院国家授时中心在112km的实地光纤链路上，实现了传递稳定度为4×10-29@10000s的光纤光学频率传递系统[33]。在2018年，利用224km的实地光纤链路完成了传递稳定度为7.7×1019@10000s的实验测试[34]。为了推进高精度时间频率传递技术在光学原子钟比对、相对论验证、精密测量等基础科研和工程技术领域的应用，我国启动了十三五“高精度地基授时系统”项目，光纤光学频率传递作为该项目的重要组成部分，将利用我国现有遍布全国的通信光纤网络为国内多个科研及工程单位提供高精度的时间频率信号。在“高精度地基授时系统”项目中，光纤光学频率传递网路的预计分布图如图1.3所示。
第1章绪论5图1.3高精度地基授时系统光纤光学频率传递系统分布图在高精度光纤光学频率传递系统中，超稳激光器作为传递源可为其传递精度提供重要的保证。中国科学院国家授时中心作为“高精度地基授时系统”项目的主要承担单位，为了保证项目中光纤光学频率传递系统的研制任务能够顺利进行，因此，开展了线宽为Hz量级的通信波段超稳激光器工程化关键技术研究。1.3超稳激光器的研究进展早在1916年，爱因斯坦就已经提出了激光产生的基本原理，但由于相关工艺及技术的限制，直到1958年，当美国科学家肖洛和汤斯将氖光灯照射到一种稀土晶体上时，发出一束鲜艳、始终聚在一起的强光，即激光的现象。1960年5月，美国休斯实验室的西奥·多梅曼首次利用红宝石获得了694.3nm的激光，同年7月份研制出了首台红宝石激光器。由于激光具有很好的单色性、空间相干性和时间相干性等特点，因而使其被广泛的应用于各个科学研究以及工程领域。在物质吸收能量后低能级上的原子将会跳到高能级上，通常情况下高能级的原子都处于不稳定状态，原子又会跳回低能级，多余的能量将以光子的形式发射出来。激光就是光学谐振腔中的激励物质在吸收激励源提供的能量后，大量低能级原子将跳到高能级，从而发射出大量相位、方向、频率各不相同的光子，这些光子在经过光学谐振腔筛选后，得到相位、频率和运动方向相同的光子，选出的光子又回到激励物质中，诱发出都相同特性的光子束，从而形成激光。在理论上，若只考虑激励物质自发辐射噪声对激光线宽的影响，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Strontium optical lattice clock at the National Time Service Center[J]. 王叶兵,尹默娟,任洁,徐琴芳,卢本全,韩建新,郭阳,常宏. Chinese Physics B. 2018(02)
[2]Coherent Transfer of Optical Frequency over 112 km with Instability at the 10-20 Level[J]. 邓雪,刘杰,焦东东,高静,臧琦,许冠军,董瑞芳,刘涛,张首刚. Chinese Physics Letters. 2016(11)
[3]高热稳定性高精细度光学法布里-珀罗腔系统[J]. 王兴昌,李少康,李刚,张天才. 光学学报. 2017(01)
[4]Optical coherence transfer over 50-km spooled fiber with frequency instability of 2×10-17 at 1s[J]. 马超群,吾利飞,蒋燕义,于洪浮,毕志毅,马龙生. Chinese Physics B. 2015(08)
[5]激光稳频的共焦法布里-珀罗干涉仪[J]. 孙旭涛,刘继桥,周军,陈卫标. 中国激光. 2008(07)
[6]菲涅耳衍射及柯林斯公式的快速傅里叶变换计算[J]. 李俊昌. 光电子·激光. 2001(05)
博士论文
[1]掺铒光纤飞秒光梳及其在光频测量中的应用[D]. 张颜艳.中国科学院大学(中国科学院国家授时中心) 2018
[2]超窄线宽激光及其在光钟中的应用[D]. 蒋燕义.华东师范大学 2012
硕士论文
[1]甚长基线干涉测量精密定轨技术[D]. 朱英盼.电子科技大学 2015
本文编号：3042255
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