一种飞秒激光频率梳频率稳定性的测量方法及装置

摘要

本发明涉及一种飞秒激光频率梳频率稳定性的测量方法及装置，属于物理领域、光学工程领域以及计量测试技术领域。本发明结构简单、成本低、易实现，通过使用飞秒激光频率梳与时间频率计数器、频率合成器等共用同一个原子钟参考频率的方式，将原子钟自身频率稳定度造成的影响抵消掉，从而获得不包含原子钟稳定性影响的飞秒激光频率梳的重复频率、偏移频率以及梳频率稳定性测量结果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光频率梳频率稳定性的测量方法及装置，属于物理 领域、光学工程领域以及计量测试技术领域。

背景技术

以飞秒激光频率梳为代表的飞秒激光技术，可以实现激光频率测量，并能 给出极高的梳频准确度，例如达到10^-13、10^-14甚至更高。由于该准确度是通过 将飞秒激光频率梳的重复频率和偏移频率分别锁定到原子钟频率上获得的，因 而，人们一方面寻找更高准确度和稳定性的原子钟用来进行飞秒激光频率锁定， 反过来也在尝试寻找如何测量剔除原子钟频率稳定性影响的飞秒激光频率梳自 身的频率稳定性的测量方法。锁定到同一原子钟频率的双光梳互相拍频法便是 人们使用的一种方法，已经有使用双光梳互拍方法得到10^-18稳定度的文献报道。 但是对于大多数飞秒激光实验室而言，飞秒激光频率梳系统仍然是一个复杂、 庞大、昂贵的系统，因而用它来进行梳频稳定度测量评价，方法固然可行，但 条件要求太高，除了少数实验室外，大多数实验室很难开展该项工作，但又面 临所研制和使用的飞秒激光频率梳稳定性测量的现实问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有双光梳互拍频技术对设备要求高的问题，提 出一种飞秒激光频率梳频率稳定性的测量方法及装置。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种飞秒激光频率梳频率稳定性的测量方法，该方法由飞秒激光 频率梳产生的光谱中分别提取出重复频率f_r和偏移频率f₀，两者已经被锁定到原 子钟的参考频率上；原子钟的频率经频率合成器合成获得一个接近偏移频率f₀的频率值，与偏移频率f₀经混频器A进行混频获得两者的差频Δf₀，用外时基锁 定到原子钟频率上的时间频率计数器A读取差频Δf₀，并传给计算机，以计算机 计算获得的差频Δf₀稳定度即是偏移频率f₀的稳定度测量值δ₀，通常它以阿伦标 准偏差表述。它是剔除了原子钟影响的飞秒激光频率梳自己的偏移频率f₀的稳 定度；

原子钟的频率经频率合成器合成获得一个接近重复频率f_r的频率值，与重复 频率f_r经混频器B进行混频获得两者的差频Δf_r，用外时基锁定到原子钟频率上的 时间频率计数器B读取差频Δf_r，并传给计算机，以计算机计算获得的差频Δf_r稳 定度即是重复频率f_r的稳定度测量值δ_r，通常它以阿伦标准偏差表述。它是剔除 了原子钟影响的飞秒激光频率梳自己的重复频率f_r的稳定度。

由飞秒激光频率梳内部的光电探测器分别输出其重复频率f_r和偏移频率f₀， 它们通过飞秒激光频率梳内部的锁相稳频电路分别锁定到原子钟频率上。其飞 秒激光频率梳的光频f_n为：

f_n=n×f_r+f₀      （1）

其中，n为代表飞秒激光频率梳的光频序号的正整数，量级在10⁵～10⁶之间。

将时间频率计数器锁定到飞秒激光频率梳所用的原子钟频率上，通过时间 频率计数器分别记录重复频率f_r的稳定度δ_r和偏移频率f₀的稳定度δ₀，即是剔出了 原子钟影响部分的飞秒激光频率梳的重复频率f_r和偏移频率f₀的稳定度，将两者 按照式（1）以方和根方式进行合成，可得飞秒激光频率梳剔出原子钟影响的第 n个梳频率的稳定度δ_n：

${\delta }_n=\sqrt{n^2\times {\delta }_r^2+{\delta }_0^2}---\left(2\right)$

本发明的一种飞秒激光频率梳频率稳定性的测量装置，包括飞秒激光频率 梳1、原子钟2、频率合成器3、混频器A4、时间频率计数器A5、频率合成器6、 混频器B7、时间频率计数器B8和计算机9。

由飞秒激光频率梳1产生的光谱中分别提取出重复频率f_r和偏移频率f₀，两 者已经被锁定到原子钟2的参考频率上；原子钟2的频率经频率合成器3合成 获得一个接近偏移频率f₀的频率值，与偏移频率f₀经混频器A4进行混频获得两 者的差频Δf₀，用外时基锁定到原子钟2频率上的时间频率计数器A5读取差频 Δf₀，并传给计算机9，以计算机9计算获得的差频Δf₀稳定度即是偏移频率f₀的 稳定度测量值δ₀，通常它以阿伦标准偏差表述。它是剔除了原子钟2影响的飞秒 激光频率梳1自己的偏移频率f₀的稳定度；

原子钟2的频率经频率合成器6合成获得一个接近重复频率f_r的频率值，与 重复频率f_r经混频器B7进行混频获得两者的差频Δf_r，用外时基锁定到原子钟2 频率上的时间频率计数器B8读取差频Δf_r，并传给计算机9，以计算机9计算获 得的差频Δf_r稳定度即是重复频率f_r的稳定度测量值δ_r，通常它以阿伦标准偏差 表述。它是剔除了原子钟影响的飞秒激光频率梳自己的重复频率f_r的稳定度。

有益效果

本发明结构简单、成本低、易实现，通过使用飞秒激光频率梳与时间频率 计数器、频率合成器等共用同一个原子钟参考频率的方式，将原子钟自身频率 稳定度造成的影响抵消掉，从而获得不包含原子钟稳定性影响的飞秒激光频率 梳的重复频率、偏移频率以及梳频率稳定性测量结果。

该光频梳可以用来直接测量飞秒激光频率梳的重复频率、偏移频率以及梳 频率稳定性。

一种基于共参考频率原理的飞秒激光频率梳偏移频率和重复频率稳定性测 量方法。其特点是可以在同一装置上通过简单的频率测量获得远高于作为锁定 参考的原子钟频率标准的飞秒激光频率梳的频率稳定度，从而达到对飞秒激光 频率梳进行基本评价的目的。

附图说明

图1为本发明的装置的结构示意图；

其中，1为飞秒激光频率梳、2为原子钟、3为频率合成器、4为混频器、5 为时间频率计数器、6为频率合成器、7为混频器、8为时间频率计数器、9为 电子计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种飞秒激光频率梳频率稳定性的测量方法及装置，如图1所示，包括飞秒 激光频率梳1、原子钟2、频率合成器3、混频器4、时间频率计数器5、频率合成 器6、混频器7、时间频率计数器8、电子计算机9。

由飞秒激光频率梳1产生的光谱中分别提取出重复频率f_r=350MHz和偏移 频率f₀=20MHz，两者已经被锁定到原子钟2的参考频率10MHz上。原子钟2 的频率经频率合成器3合成获得一个接近偏移频率f₀的频率值15MHz，与偏移 频率f₀经混频器4进行混频获得两者的差频Δf₀=5MHz，用外时基锁定到原子钟 2频率上的时间频率计数器5读取差频Δf₀，并传给计算机9，以计算机9计算获 得的差频Δf₀稳定度即是偏移频率f₀的稳定度测量值δ₀，通常它以阿伦标准偏差 表述。它是剔除了原子钟2影响的飞秒激光频率梳1自己的偏移频率f₀的稳定 度。

原子钟2的频率经频率合成器6合成获得一个接近重复频率f_r的频率值 360MHz，与重复频率f_r经混频器7进行混频获得两者的差频Δf_r=10MHz，用外时 基锁定到原子钟2频率10MHz上的时间频率计数器8读取差频Δf_r，并传给计算机 9，以计算机9计算获得的差频Δf_r稳定度即是重复频率f_r的稳定度测量值δ_r，通常 它以阿伦标准偏差表述。它是剔除了原子钟影响的飞秒激光频率梳自己的重复 频率f_r的稳定度。

使用本发明所述方法获得的飞秒激光频率梳梳频稳定度可以达到比原子钟 稳定度高一个数量级左右的效果。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附 图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落 入本发明保护的范围。