智能频率表

成果名称 基于光纤激光器的可见光频率梳、20GHz可见光波段天文光学频率梳 单位名称 北京大学 联系人 马靖 联系邮箱 mj@labpku.com 成果成熟度 □研发阶段 □原理样机 &radic 通过小试 □通过中试 □可以量产 成果简介： 光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。利用频率梳测量频率时，需要频率梳的频率间隔在200MHz以上，以便波长计数器计量波数。特别地，类地行星观测需要20GHz以上频率间隔的频率梳来定标光谱仪，这个频率间隔一般的光纤激光器无法达到，目前只能依靠法布里-珀罗（FP）滤波装置进行频率倍增。由于FP透射光谱的有限线宽会导致边模泄露，从而影响天文光谱仪的定标精度，因此需要源激光频率梳本身的频率间隔尽量大，以抑制边模。可见，研制高重复频率（大频率间隔）的频率梳已经成为国际激光器和频率梳领域研究的热点和难点。目前该产品的国内市场基本上被德国Menlo System公司生产的基于掺镱光纤激光器的可见光域频率梳垄断，我国亟需研制出具有自主知识产权的光梳设备。 2011年，北京大学信息学院张志刚教授申请的&ldquo 基于光纤激光器的可见光频率梳&rdquo 得到第三期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在基金经费支持下，通过关键配件的购置和加工，该项研究得以顺利开展。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作，包括：（1）搭建高重复频率、1um波长的锁模光纤激光器，作为频率梳&ldquo 种子源&rdquo ；（2）研究初始频率和腔内色散的关系，以得到更高信噪比的初始频率信号；（3）利用合适的色散补偿元件对种子源输出的脉冲进行色散补偿，并进行多级反向放大，使其输出功率满足频率梳要求；（4）试验多种光子晶体光纤，以获得更宽的、覆盖可见光域的光谱。通过以上工作的开展，课题组成功研制出了国际首创的500MHz光学频率梳样机，而Menlo公司同类产品重复频率仅为250M。这一技术的产品化将打破外国公司在国内市场的垄断，填补国内外市场的空白。 在第三期项目工作的基础上，张志刚课题组的王爱民副教授申请的&ldquo 20GHz可见光波段天文光学频率梳的研制&rdquo 项目在2012年得到了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在第四期基金的支持下，项目组发展了前期500MHz高重复频率的光学频率梳的研究成果，开展了更加深入的工作，包括：（1）利用FP技术对500MHz重复频率的稳定光梳进行倍频，获得20GHz、1m波段的稳定光学频率梳；（2）对20GHz光学频率梳进行功率放大、脉冲压缩和倍频，实现515nm波段的蓝光飞秒光梳源；（3）利用拉锥光子晶体光纤对飞秒蓝光光梳进行可见光扩谱，达到400-750nm的光谱覆盖。通过这些工作，课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。 这两期项目目前已经结题，其成果已进入产品化阶段，科技转化前景良好。相关成果受到了北京市科委的高度重视。 课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作。课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。 应用前景： 光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。

业内人士均知，计时器/频率计市场多年来可谓波澜不惊，缺乏竞争是创新的最大障碍，该领域的产品更新换代极其缓慢，用户的选择也是少之又少。 　　近日，随着泰克FCA和MCA系列计时器/频率计/分析仪的横空出世，江湖一时风云突变，频率计市场的统治局面被打破，新的“武林盟主”即将诞生，而广大用户则可享受到性能水平“五级跳”的创新产品，而且具备更有竞争力的价位。 　　据悉，泰克在这些产品的定义阶段广泛进行了用户调查，地域横跨美洲、欧洲、亚洲大陆，抽取了美国、中国、日本、法、德等重要国家的各应用领域用户来倾听他们的意见，以便新产品所具备的更优异的性能和特性真正是客户想要的。 　　FCA和MCA系列仪器可用于设计、生产和实验室校准，以及雷达设备测试等现场应用中的频率、时间或相位信号参数的测量与分析。下表以FCA3100为例，列举了泰克破局频率计市场的一些利器，以及如何实现产品性能和功能的“五级跳”。 　　泰克FCA3100系列频率计与同类产品的对比。 　　一级跳：更宽的频率范围保护客户投资 　　泰克的FCA3000和FCA3100系列提供了最高达20GHz的宽频率范围，其中包括了两个300MHz的标准输入，和一个可选3GHz或20GHz的输入通道。上述仪器实现了每秒12位数字频率分辨率和单次50 ps(FCA3100)或100 ps(FCA3000)的时间分辨率。 　　如上图，同类产品最多只能达到225MHz的标配，对于需要测250MHz或者275MHz信号的用户(如某些计算机时钟同步信号)来说，就要另外购买3G选件，成本要增加至少50%。如今，若选用泰克的产品，无需增加3GHz选件即可支持300MHz以内的信号频率。而对于雷达、合成器/混频器等微波通信应用很多信号时在Ku波段(12GHz-18GHz)，那么FCA3000和FCA3100系列提供的20GHz选件也可使客户无需另外购买昂贵得多的微波频率计。 　　对于20GHz以上的高精尖开发项目，MCA3000系列提供了行业最先进的计时器/频率计方案。标配两个300MHz输入通道，和一个可选27 GHz或40 GHz高频输入通道，该仪器可实现每秒12位数字的频率分辨率和100ps的单次时间分辨率。MCA系列集成频率计能在任何支持的频段上通过单一连接实现频率和功率测量。 　　据称，泰克仪器返修率很低，这些频率计产品从电路研发、材料选用到生产工艺各个环节都具有严格的质量保证，泰克公司承诺3年保修服务，远高于同类产品1年的保修期，显示了泰克对其产品品质的信心。 　　二级跳：大幅提高研发和生产效率 　　对于要求快速测试的制造应用而言，FCA系列仪器可以提供每秒250,000次采样的内部存储器数据传输速度、高达每秒15,000次采样的USB/GPIB数据传输速度(block模式)，以及每秒高达650次的独立触发测量，即每秒可完成650个产品的测量，相较同类产品只能完成200个产品测量，生产效率提高了三倍之多。泰克的产品更适合用于计算机、智能手机、平板电脑、元器件等要求较高测量精度的生产线，每条线可部署几十甚至上百台FCA频率计。“江苏的一家晶振厂商对我们的测量速度这项指标特别感兴趣，”泰克公司负责射频无线产品线的产品市场经理钱永介绍说，“他们以往采用的一些频率计设备，其测试速度已不能满足提高生产效率、扩大产能的需求。” 　　另外，FCA系列具有快速端口转换模式，可连接两个端口，进行信号的快速切换(小于30ms)，几乎同时完成两个端口的测试。这一特性对生产企业也很有意义，可提高自动化生产的效率。 　　FCA系列和MCA系列频率计除了支持生产线使用很普遍的GPIB接口持续数据流测量之外，还提供实验室用户使用较多的USB接口，方便他们连接PC进行设计调试。另外，还独家提供移动通信应用所需的TIE(时间差)测试功能。 　　三级跳：3.75M样点存储深度实现统计分析功能 　　泰克此次推出的最新频率计/分析仪使设计工程师不仅能够精确测量出频率、周期、时间、脉冲或相位、占空比、Vmax、Vmin、Vp-p等超过13种不同的参数，还能通过内置的内存(对应375万个测试点)来提供数据统计、柱状图以及趋势图等分析模式进行全面分析。例如，要测试用于计算机时钟信号的晶振在实际电路中的表现，就需要测一段时间的变化值。以往的频率计不含内存，就只有几个计数器，本身无法显示信号随时间变化的图形，必须通过GPIB接口读取也不方便，还需设计软件进行统计，影响了速度和成本。 　　泰克的频率计由于可以将测试结果放入那个FIFO缓冲器内存中，本身就可以显示信号变化的情况，也可以外接电脑实现连续测试，确保零死区时间，从而实现了动态测量分析系统。该特性对必须检测每个单周期的机械和医疗测量而言至关重要。 　　另外，对于很多研发人员来说，很看重频率计能进行时域的Allan方差测试。因此，含缓冲器内存连续无死区时间测试的特性就很有价值，因为需要对一定时长内的采样点求均值才能计算Allan方差值。 　　四级跳：LCD显示直观掌握测量结果变化趋势 　　与传统LED段显示频率计不同，泰克的新款产品均采用LCD显示屏，因而可以方便显示各种测试结果随时间变化的趋势图、测试结果分布的柱状图、直方图等，并可显示测量统计结果，如跟踪测量结果的平均值、标准误差以及最大值和最小值等，让测试工作更加直观。另外，仪器上的专用按钮及显示菜单使用户能够快速进入常用功能，进而缩短设置时间。 　　测量统计结果显示示例。 　　五级跳：调制域分析软件实现高端的跳频测试 　　泰克提供可选的TimeView™ 调制域分析软件，针对基于Windows个人电脑可对信号特性进行更加深入的分析，当配合FCA和MCA系列使用时，使客户能够分析频率随时间的变化，实现调制域分析仪功能，同时测试Allan方差及各种数据统计和分析。 　　“市面上已买不到专门的调制域分析仪了，但不少研究所客户(如进行高端跳频测试)还是非常需要，”钱永表示，“通过我们的分析软件，客户可以实现调制域分析功能，测试调频信号跳频序列，跳频振铃等参数，对于锁相环、混频器等元器件的应用测试就不需要像以前一样自己费心编写软件来实现了。” 　　上述最新的计时器/频率计/分析仪可与泰克公司日前宣布推出的PWS4000系列直流电源配套使用。对于各种应用，这些频率计也可与泰克的示波器、万用表、信号源产品互连，组成一个强大的测试平台。为了简化复杂任务，客户可用配套提供的NI LabVIEW SignalExpress™ 泰克版软件，从基于Windows的个人电脑上远程控制所支持的泰克仪器。可以帮助客户自动测量、分析多个仪器上的数据、捕获和保存测

光学频率梳（Optical frequency comb，简称“光梳”）由大范围、等间隔的梳齿分量构成，每根梳齿均对应绝对频率，如同在光频上的一把梳子（或标尺）。得益于飞秒激光器和非线性光学的发展，1999年美国标准局和德国马普所的研究团队分别在实验上实现了光梳，解决了绝对光频率计量问题，J. L. Hall和T. W. Hänsch因此贡献而分享了2005年诺贝尔物理学奖。光梳的诞生同样给光谱测量领域带来了革命性突破，分辨率提高到皮米量级，光梳光谱学的新技术和新应用也在不断涌现。双光梳光谱学可以充分利用光梳在频率准确度、频率分辨率、光谱范围和脉冲宽度等方面的优势，在诸多基于光梳的测量技术中脱颖而出。在频域上，双光梳光谱学表现为两个有微小重复频率差异光梳的多外差探测，可以将探测光梳记录的待测谱线，如分子吸收谱，从光频转移到射频。双光梳光谱学可以利用光谱交织技术进一步将分辨率提高至几十飞米量级。然而现有方案测量时间大幅增加，使用温度或驱动电流调节时无法提供绝对频率参考，且分辨率仍有进一步提高至光梳梳齿线宽的较大空间。电光调制光频梳（简称“电光梳”）由对连续种子光的电光调制产生，用于构建双光梳系统时其具有天然的互相干性，无需复杂的锁定电路或相位校正算法，可以大幅降低系统复杂度。此外，由于电光梳具有不受谐振腔腔长限制的重复频率以及可自由调节的中心波长，由其构建的更具应用前景的双电光梳系统受到研究人员的广泛关注。上海交通大学何祖源、樊昕昱教授团队提出了一种新型双电光梳光谱测量方案，将光谱测量分辨率进一步提高到亚飞米量级，相较于现有方案提高了两个数量级。该方案利用外调制的稳频光作为扫频电光梳的种子光，可以在实现低频率误差快速光谱交织的同时，提供绝对光频率参考。图1 亚飞米分辨率双电光梳绝对频率光谱测量技术原理示意图研究团队在分析各性能指标的理论限制和相互制约关系的基础上，将光谱测量技术关注的综合性能指标（光谱分辨率、测量带宽以及测量时间）提高至奈奎斯特极限，并且可以通过多次平均提高测量信噪比。该方案用于测量分子吸收谱线和高Q值光纤法布里珀罗腔谐振谱线的实验结果，充分展示了该方案灵活实现超高光谱分辨率、高信噪比和高刷新率的能力。图2 氰化氢（HCN）气体吸收谱线的光谱测量结果图3 光纤法布里珀罗谐振腔反射谱的光谱测量结果该研究成果将推动超精细光梳光谱学的进一步发展，并在温室气体监测、精密光器件测试、生物化学传感，以及诸如电磁诱导透明等物理现象观测中具有非常重要的应用价值。