633nm波长副基准光频绝对测量实验

张大鹏，梁志国，张志权，韩海年，严家骅，魏志义

(1.中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095;2.中国科学院物理研究所，北京100080)

0 引言

127I2饱和吸收稳频的633nm He-Ne 激光波长为复现米定义的标准［1］，目前我国现行有效的633nm 长度基准和副基准装置分别保存在三个单位。其中，基准装置(编号为D1)保存在中国计量科学研究院(NIM)，副基准装置分别保存在中航工业北京长城计量测试技术研究所(CIMM)和中国测试技术研究院(NIMTT)，其编号分别为N0.02 和NIMTT-1［2］。为了验证波长基准与副基准装置运行状况，国家质检总局于2006年组织开展了对633 nm 激光波长基准和副基准的量值比对，此次基准与副基准之间的比对在国内尚属首次［3］。随着激光技术的发展，飞秒激光频率梳建立了微波频率与光波频率的直接链接，为解决光学频率直接绝对测量提供了技术手段［4-5］。鉴于此，本研究小组研制了重复频率为350 MHz、波长范围为600 ～950 nm 波段、各光频齿频率稳定度同步于氢原子钟的“单块”结构钛宝石飞秒激光频率梳，并利用该飞秒激光频率梳对编号为NO.02 的波长副基准装置进行了光频绝对测量实验。

1 飞秒激光频率梳测量光频基本原理

图1 给出了飞秒激光脉冲在时、频域中的分布特性。如图1(a)所示，飞秒激光脉冲在时域中表现为等时间间隔为τ 的巨脉冲序列，τ 为激光脉冲在谐振腔内往返一次的时间，有

式中:lc为激光器腔长;vg为腔内群速度。

由于谐振腔内色散的存在会引起激光脉冲群速度与相速度的不同，这将导致激光脉冲在腔内每往返一次后，载波与包络之间产生相位的差值，称为载波包络相移Δφ，有

式中:vp为腔内相速度;ωc为载波频率。如图1(b)所示，飞秒激光脉冲在频域中表现为等频率间隔为frep的梳状光频谱线，frep为重复频率，frep=1/τ。fceo为载波包络相移频率，对应时域中的载波包络相移Δφ，在频域中表现为飞秒激光脉冲梳状光频谱线相对于零频整体向右偏移的频率量。总之，飞秒激光脉冲在频域中表现为等频率间隔的孤立的梳状光频齿序列，第N 条光频齿的频率值fN表达式为fN=Nfrep+fceo。本实验将600 ～950 nm 波段钛宝石飞秒激光脉冲的frep与fceo信号参考至氢原子钟10 MHz 参考频率标准上，因此飞秒激光频率梳每条光频齿的频率稳定性同步于氢原子钟［6-8］。

图1 飞秒激光脉冲在时、频域中的分布特性

如图2所示，在利用飞秒激光频率梳测量待测光频fx时，飞秒激光频率梳中频率值最接近于fx的光频齿fN与其相干拍频，产生的频率差值为fbeat，因此待测光频fx可以表示为fx=fN+fbeat［9-11］，实际进行光频测量实验时，frep，fceo，fbeat三个频率值均由光电探测器给出，均为标量值，只给出数值大小，待测光频fx的表达式为fx=Nfrep±fceo±fbet，在每次进行光频测量时，式中正负号的选择由frep，fceo，fbeat的变化规律给出判定。

图2 频域中光频测量拍频示意图

2 光频测量实验装置

图3 为利用飞秒激光频率梳测量编号为NO.02 的波长副基准装置绝对光频值所用实验装置，图中1 为飞秒激光频率梳系统［12］，2 为待测光频NO.02 系统，3 为脉宽压缩系统，4 为光子晶体光纤扩谱装置，5 为专用拍频装置［13］。

图3 光频测量实验装置

飞秒激光频率梳的平均输出功率为50 mW，重复频率为350 MHz，单根光频梳齿的平均功率为95 nW，光谱范围为600 ～950 nm，图4 展示的为该光脉冲宽带光谱分布对应情况。其中图4(a)为光谱仪所测600 ～950 nm飞秒激光频率梳光谱曲线图，图4(b)为经衍射光栅分光后光谱空间分布照片，其与图4(a)波段分布相对应，最右侧为红光波段，最左侧为绿光波段。

图4 飞秒激光脉冲宽带光谱分布图

待测碘稳频633 nm 激光器参与拍频的功率为80 μW，两束参与拍频的光源经专用拍频装置5 优化后得到拍频信号fbeat的信噪比大于30 dB，以满足频率计数器的强度要求。三个频率量值的读取由3 台同时参考至氢原子钟10 MHz 参考频率标准上的频率计数器完成，计数时采用GPIB-USB 数据线将三台计数器同步连接以保证测量的准确性。

3 光频测量结果

本实验分别测量了NO.02 激光器的c 峰、d 峰、e峰、g 峰、h 峰的绝对光频值，表1 给出各峰值的测量结果，各峰值光频测量结果相对偏差为10-11量级。

表1 各峰值光频测量结果

以g 峰为例，其光频测量时间为1391 s，期间三台频率计数器同步记录frep，fceo，fbeat三个频率值，得到其均值分别为

经测算，与g 峰光频进行拍频的梳齿序列号为N=1355223，又由频率测量前frep，fceo，fbeat的变化规律，得到待测光频绝对频率值计算公式为

将公式(3)中各频率值代入(4)式，最终计算得到g 峰实测光频绝对值为

f633-g=473612340.4103 MHz

经计算，本次测量标准偏差为

s633-g=6.6359×10-2MHz

相对于理论值的差值为Δf633=0.0103 MHz，相对于理论值的相对偏差为Δf633/ f633=2.17×10-11。

对于测量期间各频率值的频率稳定度由不同门时间的阿伦偏差给出，本次测量频率计数器的计数间隔为1 s，图5 为1，10，100 s 门时间对应的阿伦偏差。

由图分析，frep频率值1 s 及10 s 门时间的阿伦偏差为10-13量级，100 s 时阿伦偏差为10-14量级，同步于氢原子钟。待测对象2012年检定结果(由国家波长基准装置D1 完成检定)中频率稳定度由图6给出。

图5 frep，fceo，fbeat阿伦偏差

图6 待测光频阿伦偏差

在本次光频绝对测量实验中，作为光频测量工具的飞秒激光频率梳，其频齿频率稳定度同步于氢原子钟，优于待测对象。待测光频实测值相对参考值的相对偏差在10-11量级，且2012年检定结果中待测光频频率稳定度优于本次测量。这是由于对于一个碘稳定的He-Ne 激光系统而言，激光频率的调制宽度、碘室的冷指温度以及腔内单程功率的改变都会引起输出激光频率的变化。这三个参数分别被称为调制位移参数、温度位移参数和功率位移参数。在前文所述国内比对及由国家波长基准装置进行检定溯源时，这三个参数都调节到国际计量委员会(CIPM)推荐的技术参数和运行条件。本次测量实验时待测对象的运行状态处于为完成其对更低频率稳定度和波长不确定度的热稳频激光器检定而设定的参数状态，其偏离最佳参数。

4 结论与展望

本实验利用重复频率为350 MHz、波长范围为600～950 nm 波段的“单块”结构钛宝石飞秒激光频率梳，对编号为NO.02 的633 nm 波长国家副基准装置进行了初步的光频测量实验，得到了5 个峰的测量结果，验证了用飞秒激光频率梳直接进行光频绝对测量的可行性，为进一步研究下一代光频标准—— “光钟”提供了技术积累。另一方面，本次实验测量结果与国际推荐值存在10 kHz 量级的频率偏差值，并且光频测量时长小于飞秒激光频率梳自身稳定时长［12］，这是由于实验室环境温湿度没有得到精确控制及副基准装置未工作于国际计量委员会(CIPM)推荐的技术参数和运行条件。鉴于此，后续实验研究将在温湿度环境控制理想的超净间中进行，副基准装置的工作状态将严格按照国际推荐参数进行设置，以期得到更佳的测量结果。

致谢:在利用飞秒激光频率梳进行光频测量的实验研究中，华东师范大学马龙生老师多次给出建设性方案，并亲临本实验室进行现场指导，北京工业大学李港老师和中国计量科学研究院钱进老师也多次给予帮助，在此表示感谢。

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［3］国家质量监督检验检疫总局.关于633nm 激光波长基准/副基准比对结果的公告:2007年第64 号［EB/OL］.［2014-04-20］.http:∥www.aqsiq.gov.cn.

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