基于光学时延补偿的50 km光纤微波频率传递

报道了利用50 km光纤实现4.38×10~(-15)@1 s和2.80×10~(-18)@65.5×10~3s稳定度的微波频率传递的实验研究.实验系统采用多普勒噪声消除技术,通过在本地端探测往返传递的微波信号相位获得链路上的相位变化信息,并实时控制光延迟调整机构进行补偿.光延迟控制采用压电陶瓷的快速拉伸和慢速光纤温控联合方式,可实现5 ns和千赫兹带宽的光延迟控制,能够实现光纤噪声的长期高精度补偿.与电相位补偿相比,光延迟补偿受微波泄露的影响相对较小,而微波泄露影响在类似系统难以避免,因此这种方式更利于获得高稳定度的频率传递.此外,系统采用变频往返传递消除光寄生反射效应,以及色散补偿光纤减小因色散引起的调制信号衰减等措施,提高了系统的技术指标.     

基于光纤的光学频率传递研究

随着光钟研究的发展, 光钟的稳定度和不确定度均达到10^-18量级. 通过光纤可以实现光钟频率信号的高精度传输, 有望用于未来“秒”定义的复现. 演示了百公里级实验室光纤上的光学频率传递. 对于在实验室70 km光纤盘上实现的光频传递, 光纤相位噪声抑制在1-250 Hz傅里叶频率范围内均接近于光纤延时极限, 对应传输稳定度(Allan偏差)为秒级稳定度1.2×10^-15, 10000 s稳定度为1.4×10^-18. 实验室100 km光纤的光频传递秒级稳定度也达到了5×10^-15. 提出了光纤噪声用户端补偿的方案, 可以简化星形传递网络中心站的复杂度. 在25 km光纤上演示了该传递方案, 实现的传输稳定度接近传统前置补偿传递方案.     

相位自校准的光纤微波频率绝对相位传递

提出一种相位自校准的光纤微波频率相位传递方案。该方案使用声表面波滤波器的冲激响应的窄带信号作为时间信号，使其与频率信号可同时使用同一波长进行传输。为实现稳定的可重复相位差，利用时间信号的往返传输时延来确定频率信号的整数个周期，并在多次重启的情况下验证了系统相位的稳定性。在60 km实验室平台上对所提方案进行验证，频率传递的稳定度优于4×10^-14@1 s,5×10^-17@10 000 s。系统多次重启的情况下，所获得的平均相位差最大不一致的峰峰值为0.008 rad，对应于整个周期的0.15%，可保证较高的相位一致性。     

基于相位波动远端补偿的微波频率光纤传递新方法

为研究微波信号光纤传递的性能,提出了一种对相位波动在远端进行抵消补偿的微波信号光纤传递新方法。该方法利用法拉第旋转镜将远端返回的光信号再次返射至远端,对光纤链路因温度、压力变化引入的相位波动通过远端的倍频混频电路进行抵消补偿。理论仿真与验证实验证实了该方法的有效性。在微波调制频率为1GHz,光纤链路长度为25.2km的实验中,频率传递的稳定度损失为2×10-12 s-1和6×10-17 d-1。此方法优化了本地端的结构,本地端不需要光电光转换,无需设计相位信息的精确测量与实时补偿系统,且光纤链路引入的相位扰动对长期稳定度的影响可以降低约三个数量级。     

用于光频传递的通信波段窄线宽激光器研制及应用

通信波段窄线宽激光器在基于光纤的光学频率传递中有着重要应用. 本文报道了1550 nm超窄线宽光纤激光器的研制及其在光学频率传递中的初步应用结果. 利用一台激光光源, 分别锁定到两个参考腔上(精细度分别为344000和296000), 锁定后经拍频比对测得单台激光线宽优于1.9 Hz, 秒级频率稳定度为1.7×10^-14, 优于国内同类报道. 将研制的超窄线宽激光器用于光纤光学频率传递, 在50 km光纤盘上实现了 7.5×10^-17/s的传递稳定度, 较采用商用光纤激光器提高了3.2倍.     

基于光学-微波同步的低噪声微波产生方法

低噪声微波在冷原子光钟、光子雷达、大科学装置远程同步等领域具有重要的应用价值.本文介绍了一种基于光学-微波相位探测技术的低噪声微波产生方案,利用光纤环路光学-微波鉴相器,将超稳激光的频率稳定度相干传递至介质振荡器.实验采用梳齿相位参考至超稳激光的窄线宽掺铒光纤飞秒光学频率梳,结合光纤环路光学-微波鉴相器和精密锁相装置,将7 GHz介质振荡器同步至光频梳重复频率的高次谐波,同步后的光脉冲序列与微波信号的剩余相位噪声为–100 d Bc/Hz@1 Hz,定时抖动为8.6 fs [1 Hz—1.5 MHz];通过搭建两套低噪声微波产生系统,测得7 GHz微波的剩余相位噪声为–90 d Bc/Hz@1 Hz,对应的频率稳定度为4.8×10^–15@1 s.该研究结果对基于光学相干分频的低噪声微波产生提供了一种新思路.     

CPT原子频标实验研究

介绍了相干布居囚禁（CPT）原子频标的小型、低功耗物理系统,并应用它开展实现了CPT原子频标的激光锁定、微波锁定方案的实验室研究.通过采用电流负反馈将激光频率锁定在原子对激光的吸收峰上,电压负反馈将微波频率锁定在电磁感应透明共振峰上,用该物理系统实现了闭环锁定的实验室桌面CPT频标实验系统.对该实验系统的频率稳定度测量获得200 s内优于5×10^-11τ^-1/2的结果. 关键词： CPT原子频标 频率稳定度 激光稳频     

一种铷原子钟超高信噪比物理系统的研究

在卫星导航、深空探测等尖端技术应用的需求牵引下,谱灯抽运铷原子钟的性能有了很大提升,其短期频率稳定度已达到小系数10^-13τ^-1/2水平.为能进一步提高铷钟稳定度并探索铷钟性能指标极限,本文在前期对物理系统(Φ40微波腔)结构的重新设计及实验验证的基础上,通过对物理系统的光学系统全面优化设计,改善了光谱灯及抽运光的性能,最终使物理系统信噪比获得了明显提升.测试及分析评估结果表明,新设计的物理系统的散粒噪声对铷钟稳定度的贡献为4.2×10^-14τ^-1/2,本文的研究结果为今后铷钟短稳实现5×10^-14τ^-1/2、长稳突破1×10^-15进入～10^-16奠定了基础.     

散弹噪声极限稳定度优于1×10-13τ-1/2的铷频标物理系统

近年来,铷原子频标研究取得长足进展,频率稳定度达到10^-13τ^-1/2量级.为进一步改善铷频标稳定度性能,本文设计了一种高信噪比物理系统.物理系统中的腔泡组件采用微波场磁力线与量子化轴方向高度平行的开槽管式微波腔,滤光泡和吸收泡独立控温.抽运光源采用了光学滤光和同位素滤光双重滤光方案.本文实测了背景光电流I₀和鉴频斜率K_d,结果分别为95 μA和7.7 nA/Hz,在此基础上计算物理系统的散弹噪声极限稳定度为7.5×10^-14τ^-1/2.研究结果表明,只要锁频环路的电子学噪声得到有效控制,铷频标的频率稳定度突破1×10^-13τ^-1/2,进入10^-14τ^-1/2量级是完全可能的.     

基于210km实地通信链路的高稳定性光学频率信号传递

利用西安和咸阳之间的电信省级骨干光纤网构建了210km的光学频率信号传递测试链路,链路损耗为0.23dB/km。实验中采用可搬运、基于光纤干涉仪、线宽约为200 Hz的激光器作为光源,利用两台低噪声双向掺铒光纤放大器(EDFA)补偿光纤链路损耗和增加光信号的传输距离,放大器平均增益控制在15dB左右,以防止激射。通过测量和分析不同情况下光纤链路的附加相位噪声,可观测到铁路震动引起的规律性干扰。当噪声抑制系统在锁定状态时,链路的相位噪声被抑制了23dB,在剔除铁路干扰时段数据后,获得的210km实地通信链路的秒级频率稳定度达到了1.51×10-14,万秒频率稳定度达到了5×10-17。利用210km通信链路进行了光学频率信号的远程传递测试,分析了限制频率稳定度的主要影响因素,并针对现行光纤布设方式提出了补充要求。该研究为基于通信链路的高精度光学频率信号的传递与比对提供理论支撑。     

Joint transfer of time and frequency signals and multi-point synchronization via fiber network

A system of jointly transferring time signals with a rate of 1 pulse per second(PPS) and frequency signals of 10 MHz via a dense wavelength division multiplex-based(DWDM) fiber is demonstrated in this paper.The noises of the fiber links are suppressed and compensated for by a controlled fiber delay line.A method of calibrating and characterizing time is described.The 1PPS is synchronized by feed-forward calibrating the fiber delays precisely.The system is experimentally examined via a 110 km spooled fiber in laboratory.The frequency stabilities of the user end with compensation are1.8×10~(-14) at 1 s and 2.0×10~(-17) at 10~4 s average time.The calculated uncertainty of time synchronization is 13.1 ps,whereas the direct measurement of the uncertainty is 12 ps.Next,the frequency and 1PPS are transferred via a metropolitan area optical fiber network from one central site to two remote sites with distances of 14 km and 110 km.The frequency stabilities of 14 km link reach 3.0×10~(-14) averaged in 1 s and 1.4×10~(-17) in 10~4 s respectively;and the stabilities of 110 km link are 8.3×10~(-14) and 1.7×10~(-17),respectively.The accuracies of synchronization are estimated to be 12.3 ps for the14 km link and 13.1 ps for the 110 km link,respectively.     

Fiber-based multiple-access frequency synchronization via 1f–2f dissemination

Considering the reference frequency dissemination requirements of the Square Kilometre Array telescope(SKA)project,on the basis of the 1f–2f precision frequency synchronization scheme,we propose and demonstrate a fiber-based multiple-access frequency synchronization scheme.The dissemination reference frequency can be recovered at arbitrary nodes along the entire fiber link.It can be applied to antennas close proximity to the SKA central station,and will lead to a better SKA frequency synchronization network.As a performance test,we recover the disseminated 100-MHz reference frequency at an arbitrary node chosen as being 5 km away from the transmitting site.Relative frequency stabilities of2.0×10~(-14)/s and 1.6×10~(-16)/10~4 s are obtained.We also experimentally verify the feasibility of a frequency dissemination link with three access points.     

200 km沙漠链路高精度光纤时频传递关键技术研究

针对沙漠环境实地链路存在的温度变化大、室外风力、地表振动等多种复杂噪声来源,通过对系统反馈补偿带宽、反馈补偿强度、光功率等时频传递系统关键参数的优化配置,研究了不同反馈补偿参数下复杂链路噪声的有效抑制技术.全链路的频率传递稳定度8×10~(-14)@1s,1×10~(-16)@1000 s,千秒尺度下时间信号传递的时间方差仅为1.2 ps.实现了氢钟信号在200 km量级沙漠环境实地链路的无损传输.该验证实验在基于短基线干涉测量的卫星测轨系统中发挥了重要作用.     

用Z-扫描技术研究卟啉铜偶合TiO2/SiO2有机-无机材料的非线性吸收特性

应用溶胶-凝胶技术, 成功地把5,10,15,20-四(4-磺酸苯基)卟啉铜掺杂到SiO₂/TiO₂无机凝胶中, 制备成有机-无机复合材料. 采用开孔Z-扫描技术, 使用波长532 nm、脉宽7ns的YAG脉冲激光为光源, 测定了不同浓度卟啉铜掺杂的SiO₂/TiO₂凝胶Z-扫描曲线. 应用Z扫描理论对获得的曲线进行分析与理论拟合, 得到复合材料的非线性吸收系数. 这些非线性吸收是由材料中卟啉铜的单聚体与二聚体的反饱和吸收所引起. 研究表明, 随着掺杂浓度的增大, 复合材料的非线性吸收明显增强. 掺杂浓度为1.11×10^-4 (A2), 1.48×10^-4 (A3)与3.01×10^-4 mol/L (A4)凝胶的非线性吸收系数分别为1.705×10^-11, 1.892×10^-11和4.854×10^-11 m/W. 讨论了单聚体与二聚体的浓度变化对非线性吸收的影响. 随着掺杂浓度的增加, 凝胶中二聚体与多聚体含量的增加, 导致非线性吸收系数的增大. 同时测定了无机材料对该光源的抗激光损伤阈值为～5 J/cm².     

First-principles investigation on diffusion behaviours of H isotopes: From W(110) surface into bulk and in bulk W

The diffusion behaviours of hydrogen (H), deuterium (D), and tritium (T) from W(110) surface into bulk and in bulk W are investigated using a first-principles calculations combined with simplified models. The diffusion energy barrier is shown to be 1.87 eV from W(110) surface to the subsurface, along with a much reduced barrier of 0.06 eV for the reverse diffusion process. After H enters into the bulk, its diffusion energy barrier with quantum correction is 0.19 eV. In terms of the diffusion theory presented by Wert and Zener, the diffusion pre-exponential factor of H is calculated to be 1.57×10^-7 m²·s^-1, and it is quantitatively in agreement with experimental value of 4.1×10^-7 m²·s^-1. Subsequently, according to mass dependence (√1/m ) of H isotope effect, the diffusion pre-exponential factors of D and T are estimated to be 1.11×10^-7 m²·s^-1 and 0.91×10^-7 m²·s^-1, respectively.     

LiNbO3和LiTaO3晶体Er3+/Yb3+掺杂水热外延层室温吸收光谱分析

本文引入与浓度和厚度有关的k_NL待定参数, 在J-O理论基础上, 对Er³⁺/Yb³⁺掺杂的LiNbO₃和LiTaO₃单晶衬底上 的多晶水热外延样品进行了基于吸收光谱的拟合计算. LiNbO₃:Ω₂=2.34× 10^-20 cm², Ω₄=0.77× 10^-20 cm², Ω₆=0.31×10^-20 cm², k_NL=4.32× 10^-2 mol·m^-2. LiTaO₃:Ω₂=1.68×10^-20 cm², Ω₄=0.84×10^-20 cm², Ω₆=0.45×10^-20 cm², k_NL=9.17×10^-3 mol· m^-2. 该方法可尝试推广到粉体或胶体等难以直接获得浓度和厚度数据的体系. 经上转换发光测试及光谱参数计分析认为Er³⁺/Yb³⁺离子的掺杂浓度比为1:1的情况下, 样品呈现绿色上转换发光光谱; 可尝试以降低基质声子能量的方法提高⁴I_13/2能级 对²H_11/2和⁴S_3/2能级的量子剪裁效率.     

基于原子干涉仪的微观粒子弱等效原理检验

等效原理是广义相对论的两个基本假设之一,也是爱因斯坦对弱等效原理的推广.目前,大量实验证明弱等效原理在一定的实验精度内是成立的.将引力与标准模型统一起来的新理论都要求弱等效原理破缺,因此更高精度的弱等效原理检验具有重要的科学意义.本文介绍了原子干涉仪的原理,回顾了利用原子干涉仪开展微观粒子弱等效原理检验实验研究的历史和现状,介绍了双组分原子干涉仪检验弱等效原理实验涉及的振动噪声抑制、拉曼光移频与相位噪声抑制、四波双衍射拉曼跃迁原子干涉、信号探测与数据处理等关键问题及研究进展,分析了高精度微观粒子弱等效原理检验研究的发展趋势,介绍了长基线原子干涉仪、空间原子干涉仪、超冷原子源以及纠缠原子源制备等方面的研究动态,展望了微观粒子弱等效原理检验研究的发展前景.