频谱测量 Frequency metrology

2022-11-24 14:27:21 浏览:184

定义

处理精确频率测量的技术领域。

本文重点介绍光学频率计量学,尽管从光学频率到微波频率的连接也至关重要。 对于一系列应用,必须准确确定光信号的绝对频率。 为了获得最高精度,仅仅使用国际单位制(SI系统)中定义的光的真空速度来测量波长并将其转换为频率是不够的:波长测量的精度(例如使用波计)受到波前失真等效应的限制。 使用实际频率测量可以实现更高的精度,其中光学频率或两个光学频率之间的差异与微波参考有关。 注意,秒作为基本时间单位目前在SI系统中定义的单位是通过9.192631770-GHz微波频率在铯-133原子的超精细能级之间发生一定跃迁的。

频率差和绝对频率

一个相对简单的任务是使用节拍音符将两个光学频率之间的差异与微波参考进行比较,如果该频率差异约为数十千兆赫或更小。 只需将两个光束叠加在快速光电探测器上,即可获得电子节拍信号。 然后,可以通过计算周期或监测两个微波信号之间的电子拍来将后者与微波参考进行比较。

更困难的任务是测量绝对光学频率。 世界上几个计量实验室采用的早期方法基于频率链,该频率链从稳定的微波参考(连接到铯原子钟)开始,并通过许多其他振荡器产生确切已知的更高频率。 后者的频率通过记录带有低频信号谐波的拍频信号并自动调整振荡器频率来连接到较低频率,以便不仅保持给定的拍频,而且保持相位相干连接。 各种非线性器件(肖特基二极管、金属-绝缘体-金属二极管和非线性晶体)用于在不同光谱区域产生谐波。 通过将中间振荡器作为所谓的飞轮振荡器进行操作,从射频区域到微波、远红外和中红外区域以及更远的可见光,都实现了良好的时间相干性。 然而,这项技术要求很高,让整个系统长时间完美运行是一项重大挑战。

频率梳技术

在 1990 年代后期,一种基于锁模激光器频率梳的新技术彻底改变了光学频率计量学。 它基于这样一个事实,即锁模激光器输出的光谱由一串完全等距的线组成(不考虑噪声影响)。 这意味着这种频率梳仅由两个参数决定:频率间隔(等于激光器的脉冲重复率)和绝对位置,指定为载波包络偏移频率。 如果这两个参数可以与微波参考相关,则梳子的所有光学频率都是已知的。 随后,可以通过用梳状线确定节拍频率来测量梳子范围内的任何光学频率。

显然,频率梳技术比基于传统频率链的技术简单得多,并且可以构建非常紧凑的频率参考源和频率测量设备。 此外,它在宽频谱范围内提供紧密间隔的已知频率线,允许在这种宽范围内进行频率测量,而不是像频率链那样仅围绕单个光学频率进行测量。 如今,频率梳状激光源已商用,并开始广泛用于计量目的。

技术和科学应用

频率计量的技术和科学重要性毋庸置疑。 下一代原子钟将基于光学频率标准,结合光学时钟装置。 这种光学时钟将允许时间或频率测量的精度超过目前使用的铯原子钟,铯原子钟已经让频率成为物理量,可以以迄今为止最高的精度进行测量。

时间测量的极端精确性具有许多技术意义,即使只考虑美国GPS系统和欧洲伽利略系统的许多现有或设想的应用,这一点也是显而易见的。

其他物理量的测量,如电压和电流以及磁场强度,也可以从准确和精确的频率标准中受益匪浅。 此外,基本科学问题的澄清取决于超精确的时间或频率测量;例如,这种测量对于检查某些量(例如精细结构常数α)是否存在任何时间依赖性至关重要,这些量到目前为止被认为是物理常数。 如果能够检测到这种量的任何变化,这将对未来对大多数基本现象的理论描述产生深远的影响。

此外,某些类型的科学设备,例如用于产生超短脉冲的自由电子激光器和用于天文学的射电望远镜阵列,需要不同部件的极其精确的定时同步,例如可以通过主动稳定的基于光纤的定时链路来完成。

参考文献

[1] T. Udem et al., “Absolute optical frequency measurement of the cesium D1 line with a mode-locked laser”, Phys. Rev. Lett. 82 (18), 3568 (1999), doi:10.1103/PhysRevLett.82.3568
[2] T. Udem et al., “Accurate measurement of large optical frequency differences with a mode-locked laser”, Opt. Lett. 24 (13), 881 (1999), doi:10.1364/OL.24.000881
[3] S. A. Diddams et al., “Direct link between microwave and optical frequencies with a 300 THz femtosecond laser comb”, Phys. Rev. Lett. 84 (22), 5102 (2000), doi:10.1103/PhysRevLett.84.5102
[4] J. Stenger et al., “Ultraprecise measurement of optical frequency ratios”, Phys. Rev. Lett. 88 (7), 073601 (2002), doi:10.1103/PhysRevLett.88.073601
[5] T. Udem, R. Holzwarth and T. W. Hänsch, “Optical frequency metrology”, Nature 416 (6877), 233 (2002), doi:10.1038/416233a
[6] H. R. Telle et al., “Kerr-lens mode-locked lasers as transfer oscillators for optical frequency measurements”, Appl. Phys. B 74, 1 (2002), doi:10.1007/s003400100735
[7] T. Udem et al., “Optical frequency metrology”, Nature 416, 233 (2002), doi:10.1038/416233a
[8] J. Kim et al., “Drift-free femtosecond timing synchronization of remote optical and microwave sources”, Nature Photon. 2, 733 (2008), doi:10.1038/nphoton.2008.225
[9] M. Lezius et al., “Space-borne frequency comb metrology”, Optica 3 (12), 1381 (2016), doi:10.1364/OPTICA.3.001381
[10] NIST Time and Frequency Publication Database, https://tf.nist.gov/general/publications.htm
[11] International System of Units (SI), http://www.bipm.fr/en/si/
[12] For German readers: R. Paschotta, “Frequenzkämme und optische Frequenzmetrologie”, Photonik 3 / 2006, p. 60

光学测量

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