飞秒激光频率梳测量光频用拍频装置的实验研究

张大鹏，梁志国，张志权，韩海年

(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

光频测量对科学研究和工程技术有着重要作用，光频测量结合稳频激光技术可以将目前几何量计量基准的准确度提高几个数量级，并将最终统一长度和频率计量基准［1～2］。飞秒激光频率梳技术的引入使得光频测量在各国实验室进入实用化研究方面取得革命性的进展，尤其是在利用光纤飞秒激光频率梳来测量光频方面。其中，日本计量院 (NMIJ)的科学家Hajime Inaba利用掺饵光纤飞秒激光频率梳对532 nm碘稳频Nd:YAG激光器进行了超过一周的连续测量［3］。中国计量科学研究院的孟飞、方占军等人利用商品化的飞秒激光频率梳系统也进行了“数天”级长时间的光频绝对测量实验。在利用钛宝石飞秒激光频率梳测量633 nm波长基准装置方面文献报道较少，其中方占军研究小组利用钛宝石飞秒激光频率梳针对633 nm 波长国家基准装置所进行的光频测量实验持续测量时间为40 min［4］。本文所进行的光频测量实验是采用钛宝石飞秒激光频率梳系统针对中航工业计量所保有的现行有效的633 nm波长国家副基准装置进行，采用优化设计的拍频装置使得光频测量时间提高到1 h以上。

在利用飞秒激光频率梳测量光频时，通过待测光频与飞秒激光频率梳中与之频率值接近的第N条光频梳齿fN进行拍频，获取二者频率差值fbeat，在同时读取飞秒激光频率梳的重复频率frep、载波包络相移频率fceo及飞秒激光频率梳与待测光频间拍频信号的频率fbeat后，待测光频的频率值由公式fx=Nfrep± fceo± fbeat计算得出［5-6］，式中加减关系在飞秒激光频率梳锁定时判断得到。

光频测量实验中，重复频率frep与载波包络相移频率fceo可以直接由光电探测器测量飞秒激光频率梳得到，而拍频信号的频率fbeat需通过搭建飞秒激光频率梳与待测激光的拍频光路，将激光差频信号经过光电转换变为电信号来读取。由于飞秒激光频率梳中参与拍频的频率梳齿能量极其微弱，常常会遇到两方面问题:①参与拍频的两束光维持空间路径重合、偏振方向一致的时间较短，这导致了拍频信号信噪比随时间逐渐下降，不利于长时间测频;②拍频信号信噪比不高，不足以触发频率计数器读数。这两个问题的存在直接关系到飞秒激光频率梳测量光频的成败［7］。本文针对上述两个问题设计了一套飞秒激光频率梳测量光频用的拍频装置，一方面在光路的准直重合、稳定维持方面采取了相应的光学、机械结构优化;另一方面在拍频信号信噪比不足方面采取了先滤波后放大的措施，最终在利用600～950 nm波段飞秒激光频率梳测量633 nm碘稳频激光频率时验证了其可行性。

1 装置结构设计与工作原理

图1给出了飞秒激光频率梳测量光频用拍频装置结构示意图，图中的器材17～23属于外围设备，分别为飞秒激光频率梳、待测光频及53132A频率计数器。1a～7a，1b～7b及8～16为拍频装置内部所有光电器件器件，均采用高稳定底座固定于隔振光学面板。拍频装置中光学部分的调节以偏振分光棱镜 (PBS)8上镀有的偏振分光膜的中心为基准;1a～4a，1b～4b为准直定位小孔光阑，其基于两点确定一条直线的原理成对使用，用于对参与拍频的两光束行程限位，调节时配合反射镜6a，6b，7a，7b使用，以确保参与拍频光束在空间路径上完全重合;格兰棱镜9适用波段为400～700 nm，消光比为106∶1，与半波片5a，5b及偏振分光棱镜8配合调节，以确保参与拍频的两光束偏振方向一致;光栅10为每1 mm有1200条刻线的镀金刻划光栅，用于对拍频后的光束在空间上按波长排列分光，再通过小孔光阑12，可以将633 nm为中心波段的窄带拍频光束选取出来经由聚集透镜13会聚到光电探测器 (APD)14，转化为电信号fbeat，此时该信号的信噪比低于30 dB，无法由频率计数器读取，需经过滤波器15滤波后再由低噪声电信号放大器16进一步放大，此处得到拍频信号fbeat信噪比大于30 dB，满足读数信噪比要求。

图1 飞秒激光频率梳测量光频用拍频装置

针对引言中所提到的拍频信号信噪比低、高信噪比拍频信号维持时间短的问题，可通过图1中拍频装置得到改善，拍频装置中准直定位小孔光阑对参与拍频的两光束在空间传输路径上可以起到严格的限位作用，随时间发生空间偏移的两束光可以通过调节反射镜使光束重新通过小孔光阑得以修正以避免信噪比随时间的降低;聚焦透镜前的小孔光阑12在选取拍频光束中633 nm窄波段光频的同时，滤除了其他频段的背景光强，也起到了提高拍频信号信噪比的作用;在空间路径严格重合的基础上通过调节波片、格兰棱镜可以改变参与拍频的两束光的偏振态，再由滤波器及低噪声放大器同时对拍频信号进行放大，这几项因素同时综合作用对提高拍频信号信噪比也起到关键作用。

2 光频测量实验

利用图1所示拍频装置，本文开展了飞秒激光频率梳测量碘稳频633 nm激光器e峰光频的实验。所用飞秒激光频率梳光谱范围为600～950 nm，激光工作物质为2 mm长的掺钛蓝宝石晶体，采用532 nm激光进行泵浦，平均输出功率为50 mW，重复频率为350 MHz，平均单根光频梳齿的功率为95 nW，光谱曲线如图2所示，在633 nm处有一功率峰值。实验中待测碘稳频633nm激光器的输出功率为100 μW，经防回光隔离器后到达拍频装置处的功率为80 μW ，其e吸收峰参考频率值为 f=473612366.961 MHz［8］。

图2 飞秒激光频率梳光谱曲线图

实际测量e峰频率时，600～950 nm波段飞秒激光频率梳通过锁定电路将重复频率frep、载波包络相移频率fceo锁定到氢原子钟10 MHz参考频率标准上，在frep和fceo同时锁定的前提下调节拍频装置光电器件得到拍频信号fbeat信噪比为36 dB，通过3台频率计数器由GPIB-USB数据线连接至电脑同时读取了3个频率值。图3、图4、图5分别给出了3个频率同时测量4202 s时间段内的频率值变化曲线。

图3 重复频率frep变化曲线

图4 载波包络相移频率fceo变化曲线

图5 碘稳频633 nm激光e峰频率变化曲线

633 nm激光器e峰光频值测量结果:实验中飞秒激光频率梳载波包络相移频率fceo=21.8415232199160 MHz，重复频率frep=349.4643715333480 MHz，故可得与633 nm激光器e峰光频拍频的梳齿序列号为N=1355252。根据飞秒激光频率梳锁定时frep和fceo的变化规律可得待测光频的频率值计算公式为fx=Nfrep-fceo+fbeat，最终计算得出本实验4202 s的测量时间内，碘稳频633 nm激光器e峰实测频率值为473612367.000 MHz，与参考值差值为0.039 MHz，标准偏差为34 kHz。频率测量值在不同平均时间下的阿伦偏差由图6给出，其中1 s对应的阿伦偏差为3.30×10-11，10 s对应的阿伦偏差为2.29×10-11，100 s对应的阿伦偏差为3.25×10-11，1000 s对应的阿伦偏差为1.88×10-11。

图6 frep，fceo及e峰频率fxT的阿伦偏差

3 结论

本文针对飞秒激光频率梳单根频率梳齿能量小、在实际测量激光频率时遇到的拍频信号信噪比低、高信噪比拍频信号维持时间短的问题，在光路的准直重合、稳定维持方面采取了相应的光学、机械结构优化以及对拍频信号采取先滤波后放大的措施，在上述措施综合作用下进行了碘稳频633 nm激光器e峰频率的绝对测量实验，得到了4202 s的测量数据:碘稳频633 nm激光e峰实测频率值为473612367.000 MHz，与参考值差值为0.039 MHz，标准偏差为34 kHz。

［1］ Udem T，Holzwarth R ，Hänsch T W.Optical frequency metrology［J］.Nature，2002，416:233-237.

［2］华卿，周维虎，许艳.飞秒激光频率梳绝对测距技术综述［J］.计测技术，2012，32(1):1-4.

［3］Hajime Inaba，Yuta Daimon，Hong FengLei，et al.A Long-term measurement of optical frequencies using a simple，robust and low-noise fiber based frequency comb［J］ .OPTICS EXPRESSES，2006.14(12):5223.

［4］孟飞，曹士英，蔡岳，等.光纤飞秒光学频率梳的研制及绝对光学频率测量 ［J］.物理学报，2011，60(10):53-55.

［5］Fortier T M ，Bartels A ，Diddams S A.Octave-spanning Ti:sapphire laser with a repetition rate-1 GHz for optical frequency measurements and comparisons［J］ .Opt.Lett.2006，31(2):1011-1013.

［6］Holzwarth R，Nevsky A Yu，Zimmermann M ，et al.Absolute frequency measurement of iodine lines with a femtosecond optical synthesizer［J］.Appl.Phys.B，2001，73:269-271.

［7］Yi Lin，Qi Xianghui，Chen Wenlan，et al.Enhancing the signal-to-noise ratio of optical frequency beating using open-loop photonic crystal fiber［J］ .Optics Communications，2008，281:4081-4087.

［8］钱进，刘秀英，黄晓荣，等.633 nm激光波长基准副基准比对［J］.计量学报，2008，29(4A):127-130.