高性能掺铒光纤光学频率梳的实现方法与技术

Optical frequency comb is widely used in precise measurement applications such as: evaluation of optical atomic clocks, precise spectroscopy, high precise time and frequency transfer, precise distance measurement, ultra-stable microwave generation, THz signal frequency measurement and control, and physics constant drifting measurement. In order to realize an optical frequency comb with high stability, high robustness, and function of automatic boot and ultra-stable microwave generation, we are going to study six sub-topics: design of the femtosecond laser loop, amplitude noise suppression, mode-lock diagnose, optical pulse polarization-maintaining amplifier, frequency control and low noise optical pulse to microwave signal conversion. Eventually, it improves the technique level of Erbium-fiber-based optical frequency comb of China, enabling that self-made optical frequency combs are good enough for “uncertainty of frequency measurement in the level of 1E-18 and resolution of frequency comparison is better than 1E-19” and “most precise verification of Einstein equivalence principle” that are targets of the guideline of the application.

光纤飞秒光梳在精密物理测量中具有广泛应用：光学频率原子钟的性能评估及应用、精密光谱研究、高精度时间频率传递、精密距离测量、超稳微波产生、太赫兹信号频率校准，以及基本物理常数测量等。本项目拟通过研究激光器环路设计、幅度噪声抑制、锁模诊断、光脉冲保偏放大、频率控制和低噪声光电转换六方面内容，着重解决光梳自动启动、稳定性和鲁棒性增强、光电频率信号低噪声转换三大问题，实现自动化程度高、稳定度好、鲁棒性强的掺铒光纤飞秒光梳，提高我国掺铒光纤光梳及其应用的研究水平，满足国家自然科学基金“精密测量物理”重大研究计划具体目标中“时频测量不确定度达到1E-18水平，时频比对传递精度优于1E-19”和“等效原理检验取得国际领先的结果”相关研究要求。

光纤飞秒光梳在精密物理测量领域应用广泛，包括光学频率原子钟的性能评估及应用、精密光谱研究、高精度时间频率传递、精密距离测量、超稳微波产生、太赫兹信号频率校准，以及基本物理常数测量等。项目执行过程中，我们系统的研究了激光器环路设计、幅度噪声抑制、锁模诊断、光脉冲保偏放大、频率控制和低噪声光电转换六方面内容；掌握了研制自动化程度高、稳定度好、鲁棒性强的掺铒光纤飞秒光梳的方法和技术。理论方面，首次提出了利用偏振态作为频率控制参量，实现频率宽带大范围控制；并成功进行了试验验证，比传统的利用电光晶体频率控制光程的方式频率控制范围提高了一个数量级以上。技术方面，实现了腔内电光晶体宽带频率控制，填补了我国这一技术的空白。工程方面，开展了光纤光梳的小型化、工程化设计，研制的光梳系统在体积、功耗等方面与国外产品相当。应用方面，目前研制的系统已经应用到国家授时中心锶光钟频率测量和中科大kB常数测量研究工作中。总之，本项目的实施提高了我国掺铒光纤光梳及其应用的研究水平，达到了研究计划的具体目标中“时频测量不确定度达到1E-18水平，时频比对传递精度优于1E-19”和“等效原理检验取得国际领先的结果”相关研究要求。