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低噪(zào)聲GHz飛秒激(jī)光器在精(jīng)密(mì)測(cè)量(liáng)中的應(yīng)用(yòng)探討:雙(shuāng)光(guāng)梳幹(gān)涉相位壓(yā)縮技術(shù)
更新時(shí)間:2026-05-25
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在雙(shuāng)梳幹涉(shè)測量中,相(xiāng)位(wèi)是(shì)一個(gè)關(guān)鍵參數,以下是其(qí)核心(xīn)要點(diǎn):
相(xiāng)位(wèi)的定(dìng)義與來源
雙梳(shū)幹涉測(cè)量使用兩個重復頻率(shuài)略有(yǒu)差異(yì)的(dí)光頻梳(如 frep 和(hé) frep+Δf)。兩(liǎng)梳(shū)光(guāng)波在探測器上幹(gān)涉(shè),其(qí)相位(wèi)差Δϕ由(yóu)光程(chéng)差(chà),樣品(pǐn)特(tè)性(xìng)及梳(shū)的初(chū)始(shǐ)相(xiāng)位決定,反映了光(guāng)波在傳(chuán)播(bō)和與物質相(xiāng)互(hù)作(zuò)用後(hòu)的相(xiāng)位變(biàn)化。
相位(wèi)與測量信息的(dí)關(guān)係
距(jù)離測(cè)量:在(zài)雙梳(shū)測距中,相(xiāng)位(wèi)差與光程差直接相關,通過測量(liáng) Δϕ可(kě)計(jì)算(suàn)距(jù)離(lí),精度可(kě)達納米(mǐ)級。
光譜(pǔ)分(fēn)析:在(zài)雙梳(shū)光(guāng)譜(pǔ)學(xué)中(zhōng),相位(wèi)隨頻率變化,可(kě)揭示樣品的(dí)吸收(shōu),色散(sàn)等特性,用於(yú)分子指(zhǐ)紋(wén)識(shí)別,氣體濃(nóng)度(dù)測(cè)量(liáng)等。
表麵(miàn)形貌(mào)測量(liáng):在雙(shuāng)梳全息術(shù)中(zhōng),相(xiāng)位圖反映物體(tǐ)表(biǎo)麵的(dí)高度變(biàn)化,通過(guò)相位(wèi)展(zhǎn)開算法可(kě)重建三(sān)維(wéi)形貌(mào)。
相(xiāng)位(wèi)測量(liáng)與處理
時(shí)域幹(gān)涉(shè)圖分(fēn)析(xī):探測(cè)器(qì)記錄(lù)幹涉(shè)信(xìn)號(hào)隨時間的變化(huà),通(tōng)過傅裏(lǐ)葉變換將時域信(xìn)號轉換為頻域(yù),提(tí)取各梳(shū)齒的(dí)相位(wèi)信(xìn)息。
相(xiāng)位展開:由(yóu)於相位(wèi)具(jù)有 2π 模糊性,需(xū)通(tōng)過多頻相位(wèi)展(zhǎn)開或算法(如最(zuì)小(xiǎo) L1 範數(shù))消(xiāo)除模(mó)糊(hū),恢復真(zhēn)實相位。
噪聲抑(yì)製:量子噪(zào)聲,探測器噪(zào)聲(shēng)等會(huì)影響相(xiāng)位精(jīng)度(dù),可(kě)通過量子壓縮技術,相幹累積(jī)等方(fāng)法(fǎ)降(jiàng)低噪(zào)聲(shēng),提(tí)高(gāo)相(xiāng)位測(cè)量信噪(zào)比。
相(xiāng)位(wèi)穩定性與(yǔ)校準
雙梳(shū)幹涉測量要(yào)求兩梳(shū)光(guāng)波(bō)保(bǎo)持(chí)相幹性,需通過相(xiāng)位(wèi)鎖定,參(cān)考光梳等方法(fǎ)確保相位穩定(dìng)。校準(zhǔn)過(guò)程中(zhōng),常(cháng)使用已知(zhī)相位參考源或(huò)標(biāo)準樣品(pǐn)校(xiào)正(zhèng)係統相位誤差(chà)。
總之,相位(wèi)在雙(shuāng)梳幹涉(shè)測量中(zhōng)是連接光(guāng)波(bō)物(wù)理(lǐ)特(tè)性與(yǔ)測量(liáng)目標的核心(xīn)橋(qiáo)梁,通(tōng)過精(jīng)確(què)測(cè)量和處(chǔ)理相位信息,可(kě)實(shí)現高(gāo)精度距離(lí)測量,光譜分析(xī),表(biǎo)麵形貌重(zhòng)建(jiàn)等應用。
盡(jìn)管頻(pín)率(shuài)梳(shū)在(zài)超(chāo)精(jīng)密光學(xué)計量中發(fā)揮(huī)著(zhuó)重要(yào)作(zuò)用,但利用脈(mài)衝(chōng)壓縮光(guāng)源進行(háng)光(guāng)頻(pín)梳幹涉(shè)測(cè)量(liáng)的研究進(jìn)展卻十分(fēn)有(yǒu)限(xiàn)。美(měi)國(guó)University of Colorado Boulder 團隊(duì)與加拿大Université Laval 團隊(duì)一(yī)起(qǐ)在(zài)《PRL》發(fā)表重磅(bàng)成(chéng)果(guǒ)。此次(cì)研究團隊(duì)引(yǐn)入(rù)了雙光(guāng)梳(shū)幹涉(shè)儀(yí)(DCI)作為(wéi)量子計量(liáng)學的有(yǒu)效(xiào)工具,並利用該(gāi)技術表(biǎo)征(zhēng)了(liǎo)兩個獨立光梳(shū)的脈(mài)衝壓縮的相(xiāng)位依賴(lài)性。通過(guò)精準調控(kòng)兩光(guāng)梳(shū)的(dí)相對相位,在幹涉圖交(jiāo)替過(guò)零點(diǎn)觀測到(dào)顯著的量子噪聲壓縮,最大值(zhí)達到(dào)3.8±0.2 dB。基(jī)於(yú)此,研究團(tuán)隊實現(xiàn)了任(rèn)意(yì)掃(sǎo)描(miáo)量(liáng)子(zǐ)光梳和相(xiāng)幹態光梳之間的相(xiāng)對相(xiāng)位。用(yòng)雙(shuāng)光(guāng)梳掃描代替(tì)壓電換能或電(diàn)光調製(zhì)產生(shēng)的微分(fēn)光程變化(huà),可以(yǐ)實(shí)現(xiàn)具有(yǒu)長任(rèn)意相位延遲(chí)的高(gāo)速(sù)時間(jiān)可編程量子測量(liáng)。


實驗(yàn)中,為了實(shí)現光位移操作(zuò),我(wǒ)們將兩(liǎng)個(gè)交叉(chā)偏(piān)振梳(shū)注(zhù)入(rù)到 PM-HNLF 中。研究人(rén)員(yuán)將兩(liǎng)台重復(fù)頻率(shuài)1 GHz的(dí)摻(chān)銣光(guāng)梳(中心(xīn)波長(cháng)1563±1 nm),脈寬壓縮(suō)到(dào) ∼260 fs,這種(zhǒng)幾何(hé)結(jié)構(gòu)最大限(xiàn)度地減(jiǎn)少(shǎo)了非常見技(jì)術噪聲(shēng),其(qí)中(zhōng)較強的梳狀(zhuàng)譜(pǔ)綫經歷了(liǎo)顯(xiǎn)著的(dí)克(kè)爾(ěr)壓縮,而(ér)較(jiào)弱(ruò)的(dí)梳狀(zhuàng)譜綫(xiàn)則保持(chí)近(jìn)似相幹(gān)狀態。兩(liǎng)個(gè)梳狀(zhuàng)譜(pǔ)綫(xiàn)均(jūn)與(yǔ)一台(tái)窄(zhǎi)綫(xiàn)寬(kuān)的(dí)1564 nm連(lián)續波激光器進行相位鎖(suǒ)定(dìng),並(bìng)通過(guò)反饋(kuì)連接到帶寬小(xiǎo)於100 kHz的(dí)腔壓(yā)電致(zhì)動器(qì)。兩個梳狀(zhuàng)激光(guāng)器的重(zhòng)復頻(pín)率差設置(zhì)為 ∼700 Hz經(jīng)過 PM-HNLF 處(chǔ)理(lǐ)後(hòu),梳(shū)狀(zhuàng)譜綫(xiàn)以 100∶1 的功(gōng)率(shuài)比(bǐ)重新組(zǔ)合。
總之,研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為量子DCI有(yǒu)望改進基於梳狀光(guāng)譜的計(jì)時,測(cè)距(jù)和網(wǎng)絡(luò)通信。DCI也為表(biǎo)征(zhēng)通過(guò)極*非綫性(xìng)光學相互(hù)作(zuò)用產生的奇異量(liáng)子態提(tí)供了(liǎo)一(yī)種(zhǒng)很有(yǒu)前(qián)景(jǐng)的方(fāng)法。
先(xiān)鋒(fēng)泰(tài)坦代理(lǐ)的瑞(ruì)士Menhir激(jī)光器可以作為該(gāi)實(shí)驗(yàn)的(dí)完(wán)*光源(yuán)。
瑞士(shì)Menhir Photonics公司專注(zhù)於(yú)高重頻(GHz級別),超低噪(zào)聲的工(gōng)業級飛秒(miǎo)激(jī)光(guāng)器,其(qí)產(chǎn)品為現代(dài)精(jīng)密測量,特(tè)別(bié)是光頻率(shuài)梳技術,提供(gōng)了核心光(guāng)源(yuán)。
核(hé)心技術:
Menhir激(jī)光器(qì)性能的核心源於其幾項關鍵(jiàn)技術:
1,孤(gū)子(zǐ)鎖模(mó)技(jì)術:采用固(gù)態或(huò)光(guāng)纖(xiān)增益(yì)介質(zhì)的鎖(suǒ)模設計(jì),確保輸(shū)出純淨,穩定的(dí)飛秒脈衝(chōng)序(xù)列(liè)。
2,極(jí)低(dī)相(xiāng)位/振幅(fú)噪(zào)聲(shēng):以(yǐ)低至(zhì)<30fs的(dí)時間抖(dǒu)動(dòng),逼(bī)近原子鐘(zhōng)級別(bié)精度的穩(wěn)定光源,為(wéi)精(jīng)密(mì)應用奠定基(jī)礎(chǔ)。
3,一(yī)體化交鑰匙設計(jì):實(shí)現(xiàn)集成/全密封(fēng)光學(xué)與電子模塊,無(wú)需(xū)外部(bù)冷(lěng)卻,支持(chí)“即(jí)插即用(yòng)"(Plug-and-Play)與24/7不(bù)間(jiān)斷長時間穩定(dìng)運行(háng),顯著降(jiàng)低(dī)客戶(hù)使用門檻和(hé)總(zǒng)擁有(yǒu)成本
Menhir激光(guāng)器是光頻(pín)率梳(shū)的核心光源。其發出(chū)的飛秒(miǎo)脈衝序列(liè)在(zài)光(guāng)譜上本(běn)身(shēn)即構成一個(gè)“光(guāng)頻梳(shū)"。其高重復率 (f_rep) 決定(dìng)了梳齒的寬(kuān)間(jiān)距(jù),卓*的長期(qī)穩(wěn)定(dìng)性(xìng)是(shì)實(shí)現精密(mì)測量的(dí)根本保證。
基(jī)於其(qí)激光(guāng)器,可(kě)以構建(jiàn)出完整(zhěng)的光(guāng)頻率梳係(xì)統。該係統集(jí)成了(liǎo)激(jī)光器,放大(dà)器,載波(bō)包(bāo)絡偏(piān)移(yí)頻率(f_CEO)探測模塊等,將(jiāng)光頻(pín)率(shuài)梳(shū)從理論工(gōng)具變為即(jí)插即用的工業產品
附上(shàng)Menhir的(dí)產品資料(liào):






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