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十余年坚持不懈 马龙生课题组实现任意数的光学分频


发布时间:2017-03-31

  

集十余年积累,精密光谱科学与技术国家重点实验室马龙生课题组在多项自主研发技术的基础上,实现了任意数的光学分频,且光学分频器的分频数可精密控制,分频不确定度达到了10-21,这是光学分频技术研究方面的新突破。


马龙生团队光学分频自主研发成果实现突破

  该研究成果于近日发表在National Science Review 3,394(2016)上,揭示了基于光梳的高精度光学分频器的原理和性能测试结果。测试显示,该光学分频器在分频过程中产生的误差比当今最好光钟的精度还小三个数量级,可满足当今最好光钟应用的需要,在分频过程中又不会降低光钟的性能。评论文章以unprecedented 21 digits和milestone achievement来评价此项工作。

光学分频器的基本功能图

  在无线电波段工作的数字频率分频是一项成熟的技术,已广泛应用在科学研究和日常生活中。由于光波频率比无线电波频率高4个数量级以上,建立光学分频器是一项挑战性很强的研究课题。

  早在20世纪60年代激光诞生不久,科学家就探索采用频率链的方法研制光学分频器,他们使用光学倍频、差频、混频等一系列非线性光学手段建立不同光波之间的频率联系。经过20余年的研究,科学家终于用光学分频器测量了分子稳频激光的频率,在此基础上确定了光的速度为299792458m/s,并建立了长度单位“米”的定义,这两项成果奠定了精密测量和精确导航的基础。

  由于基于光学频率链的光学分频器十分复杂、庞大,且只能对一个特定波长的光进行分频,而分频精度只在10-10,不能满足许多精密测量的需求,所以科学家从80年代就放弃了用光学频率链建立光学分频器的技术路线,开始寻找其他新方法。


2004年 研究成果曾被诺贝尔物理奖引用

2005年,马龙生教授与诺贝尔奖得主John Hall在诺贝尔颁奖典礼上合影

  1999年后,马龙生敏锐地意识到研究“飞秒激光光梳”的重要性,它的诞生为研制光学分频器铺平了新的道路。2003年,马龙生和毕志毅课题组联合美国标准与技术国家实验室(NIST)和国际计量局(BIPM)开展了四台光学频率梳的国际比对研究,以10-19的不确定度实现了光学分频,取得了令人瞩目的成果,文章发表在Science, 303,1843(2004)。国际著名研究机构评价:“以前所未有的精度实现了光学分频和合成”“为发展下一代基于光学频率的原子钟铺平了道路”。
  2005年诺贝尔物理奖公告引用了该数据,颁奖典礼现场,诺贝尔物理学奖得主霍尔(John L. Hall)和亨施(Theodor W. Hänsch)在各自的演讲文稿中也都引用了这篇文章。应霍尔的邀请,马龙生夫妇出席了当年的颁奖典礼。

  相关研究成果同时获得了2006年国家自然科学二等奖。马龙生教授由于在光场时频域精密控制的杰出贡献,获得了2010年度国际频率精密控制大会(IEEE-UFFC-IFCS)颁发的国际Rabi奖。Rabi奖是国际时频控制研究领域的顶级奖项,从1983年设立至今,已有三十多位科学家获奖,其中4位在获得Rabi奖后又获得了诺贝尔物理奖。


赤子之心 建造激光光谱实验室

  三十六年前的1981年,马龙生赴美进修精密与超灵敏光谱技术。访学期间,他以第一发明者身份合作完成了一项美国发明专利。进修结束前,美方实验室负责人一再挽留,他婉言谢绝。

  归国之初,他看到中国激光光谱研究水平与世界先进水平的巨大差距,立志要尽快将学科达到世界同行业的先进水平。为了克服经费短缺等困难,他和教研室的工作人员们夜以继日地改造实验室、设计和建造相关仪器设备和实验平台,对当时仅有的两台进口激光器加强维护管理,使之高效率、高质量的服务于科研项目和人才培养。在他不懈的努力下,华东师大建成了业内极具影响力的激光光谱实验室,为建设成国家重点实验室打下坚实基础。

  2004年研究获重大突破之后,马龙生课题组继续坚持光场时频域精密控制研究,陆续研发了多项光梳关键技术,并组成了以青年教师蒋燕义等为主要骨干的老中青相结合的研究团队。经过多年努力,他们终于实现了任意数的光学分频,分频不确定度达到了10-21

  高精度光学分频器是开展光钟应用研究不可缺少的关键技术。近十年光钟研究取得了飞速发展,它的不确定度已达到10-18,超越了微波原子钟2个数量级,并向更高的精度推进。如此高精度的光钟开辟了许多重要的应用领域。


马龙生获2010年国际时频控制研究领域顶级奖项Rabi奖

  此外,马龙生课题组还利用高精度光学分频器建立了低噪声光学频率合成器。该光学频率合成器能根据研究需要,在700-990nm范围内任意需要的频率处高精度地输出一个线宽为1Hz的高相干激光,为光钟的应用和精密光谱等研究提供了必要的光源。相关成果发表在Applied Physics Letter,109,131102(2016)上,研究生姚远为第一作者,该文被编辑选为亮点文章。审稿人高度评价:“该装置是原子和光学物理学家梦想已久的,现在终于实现了”。




图|吕安琪 文、来源|精密光谱科学与技术国家重点实验室 编辑|吕安琪



作者: | 信息来源:新闻网 | 浏览次数:524

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