基于频率梳的太赫兹频率精确测量方法研究

Along with recent progress in THz technology, the requirements of THz metrology have increased in various applications. So the national metrology insitutes are faced with a number of metrological challenges that need to be solved in order to help this new technology become marketable. Frequency and power are the most important two quantities to be measured because they are fundamental physical quantities of electromagnetic wave, so the project will carry out a research on THz frequency metrology based on frequency comb method. Firstly, The THz frequency comb will be generated from a photoconductive antenna pumped by a femtosecond fiber laser, and the frequency spacing of the THz frequency comb will be stabilized by controlling the repetition rate of the femtosecond laser. And then the THz source to be measured will interact with the frequency comb, the method of how to get its frequency accurately will be studied. Thirdly, we will investigate the main factors which affect the measurement results, to improve the precision and reduce the uncertainty. At last, we will study how to measure THz spectral characteristic of meterials with high precision based on frequency comb method. Through these studies, the development of THz technology and its applications will be promoted.

随着太赫兹技术的发展和广泛应用，太赫兹的参数计量需求日益增加。频率和功率是电磁波最重要的两个基本物理量，研究太赫兹频率的精确测量方法并建立太赫兹频率计量标准具有十分重要的意义。本项目将开展基于频率梳方法的太赫兹频率精确测量方法研究。利用光纤飞秒激光激发光电导天线产生太赫兹频率梳，重点研究频率梳的产生方法以及频率稳定与高精度控制问题；实现被测太赫兹源与频率梳的高效相互作用，研究其频率精确测量方法，在此基础上，建立基于频率梳的太赫兹频率计量标准装置，实现连续波太赫兹源的频率精确测量；系统研究影响太赫兹频率测量结果的主要因素，提高太赫兹频率测量精度与准确度，降低系统测量不确定度；研究基于频率梳的物质太赫兹波段特征吸收谱线的高精度测量方法。通过本项研究，将对推动太赫兹技术的发展、扩展太赫兹的应用起到积极作用。

随着太赫兹技术的发展和广泛应用，太赫兹的参数计量需求日益增加。频率是电磁波最重要的一个基本物理量，太赫兹频率的准确测量是其研究与应用的前提和基础，是保障和证明太赫兹应用有效性和可靠性的关键，研究太赫兹频率精确测量方法并建立太赫兹频率计量标准对于促进太赫兹通信行业的发展、支撑我国太赫兹领域重大科技项目的研究、满足太赫兹仪器设备的频率计量需求具有重要意义。.本项目开展了基于频率梳的太赫兹频率精确测量方法研究，建立了基于频率梳的连续波太赫兹频率测量系统，主要内容包括：.1. 实现了太赫兹频率梳的产生与高精度控制。利用飞秒激光激发光电导天线或非线性晶体产生了宽带太赫兹辐射，通过对激光器重复频率的高精度控制与锁定获得了频率间隔稳定的太赫兹频率梳。分别采用基频锁定方案和高次谐波锁定方案的对激光器重复频率进行了锁定，对锁定后的飞秒激光器重复频率进行了长时间测量，100s采样时间的阿仑方差分别为6.8E-13和3.3E-13，采用十次谐波锁定方案标准差更小，可以获得更高的重复频率锁定精度。.2. 实现了被测太赫兹源与频率梳的高效相互作用，获得了高信噪比的拍频信号。分别采用了三种方案实现被测太赫兹源与频率梳的相互作用，结果表明采用中心波长1550nm的飞秒激光器激发尾纤耦合的光电导天线产生太赫兹频率梳，被测太赫兹源与频率梳在光电导天线中相互作用，然后探测光电导天线的电流变化获得拍频信号，可以获得最高信噪比的拍频信号，经放大后的拍频信号信噪比优于55dB，可以实现拍频信号的高精度计数。.3. 建立了基于频率梳的连续波太赫兹频率测量系统，并对输出频率为90GHz的太赫兹源进行了测量，太赫兹频率设定值与测量值相差0.025Hz，相对误差为2.8E-13。.4. 评估了系统测量不确定度。由于测量系统中所用信号源、频率计数器、频谱仪均同步到铷频率标准，因此铷钟的频率准确度和稳定度将决定系统的测量不确定度水平。实验中采用的铷频率标准短期稳定性很好，但随着时间推移输出频率会有所漂移，频率准确度下降，会对太赫兹频率测量准确度造成影响。因此太赫兹频率的实际测量不确定度受限于铷频标的频率准确度。通过GPS信号同步铷钟，解决了铷钟频率长时间漂移的问题，系统测量不确定度降低至1E11。