为了能更加灵活方便地实现高精度的时频信号传递, 以空间链路代替光纤进行时频传递, 阐述了自由空间光频梳频率传递基本原理, 实验通过102 m的自由空间链路, 将锁定至铷原子钟上的飞秒光频梳发送到远端, 采用高速探测器直接探测, 通过高精度频率计数器采集光频梳重复频率数据。实验结果表明: 该系统最终实现接收端100 MHz重复频率信号在30 min内抖动范围为3.5 mHz, 重复频率稳定度为4.26×10-12/s、4.81×10-13/100 s。

研究了基于光纤飞秒光学频率梳的传递振荡器技术,介绍了其基本原理,设计并搭建传递振荡器系统,实现了主激光器与从激光器光学频率的相干传递,锁定后系统环内拍频信号的s级频率稳定度达5×10 -19量级。搭建了两套传递振荡器系统,将主激光器的光学频率同时传递至两个独立的从激光器,分析了锁定后两个从激光器拍频信号引入系统中的相位噪声。通过提高拍频信号信噪比、优化信号处理过程、减小外部环境干扰等方法,最终两个从激光器得到的环外拍频信号线宽小于30 mHz,光学频率传递的s级频率稳定度达1.4×10 -17量级。

提出了一种基于飞秒光学频率梳相关探测的绝对距离测量方法,通过检测测量信号与参考信号的相关条纹,实现了绝对距离测量。研究了一阶相关函数的测量模型,建立了基于非平衡迈克耳孙干涉光路的测量系统,通过拟合一阶相关函数包络并提取其峰值精确判断脉冲重合位置,获得了被测距离。设计并配合长导轨进行了3 m的绝对距离测量实验,并与商用干涉仪测量结果进行实时比对。基于大量实验数据,针对环境因素及系统误差进行了分析,并进行了误差消除与补偿。研究结果表明,所提方法在500 min长期测量中,在3 m的测量范围内的最大测量误差为5.85 μm,测量标准差为2.20 μm。

基于光学频率梳与超声脉冲之间的声光效应, 提出了一种海水声速直接测量的方法。根据光学频率梳模间拍频的相位测量了超声脉冲的飞行距离,根据脉冲声光效应引起的零级光的强度变化测量了超声脉冲的飞行时间。搭建了基于马赫-曾德尔干涉仪的测量装置。实验结果表明,该方法可以在实验室条件下实现高精度的海水声速测量,测量不确定度优于5 cm/s。

以激光测速为基础, 引入飞秒光频梳, 通过鉴相信号处理, 研究出了一种高精度的测速方法, 理论测量下限低至μm/s量级。文中详细分析了飞秒光频梳经运动目标反射后梳齿相位发生变化的原理, 建立了较为全面的数学模型并使用MATLAB软件进行了仿真。采用快速傅里叶变换方法对仿真测量信号相位信息进行提取并处理, 分别对μm/s、mm/s和m/s量级速度值进行了测量, 理想情况下测量误差在1 μm/s以下。同时, 还对做任意运动的目标进行了测量仿真实验, 结果表明文中方法还可以还原目标的运动状态。最后搭建了实验装置对mm/s量级的速度进行测量, 测量相对误差均在4%以内, 验证了此方法的可行性。

传统脉冲干涉测距只能测量离散的长度值，提出了一种利用飞秒光频梳进行任意长绝对测距的方法，建立了多脉冲干涉的时间相干模型，分析了被测距离与多脉冲干涉条纹峰值点位置变化的关系，研究了大气条件的改变对测距结果的影响。模拟结果表明：多脉冲干涉条纹峰值点位置的偏移具有周期性，在一个周期内呈单调性改变；温度和湿度的改变与多脉冲干涉条纹的峰值间距的改变呈正比，而气压和二氧化碳含量的改变与多脉冲干涉条纹的峰值间距的改变呈反比。该分析结果对于在空气中进行长距离绝对测距具有重要意义，可利用建立的模型进行误差补偿，以提高测距精度。

飞秒光梳的出现为实现高精度绝对距离测量提供了诸多有效方法,并有望直接应用于激光雷达、卫星编队飞行和空间引力测量等空间探测任务.从未来空间精密测距的精度需求出发,提出在飞行时间法辅助测距的基础上利用光学脉冲互相关分析技术将目标距离测量直接溯源到光梳重复频率的测量方法,建立了飞秒光梳测距基本模型,进行了飞秒脉冲互相关理论分析,并开展了互相关及测距仿真实验.仿真结果表明,在目标距离为10 km 以及重复频率扫描精度0.01 Hz条件下,进行非模糊量程内线性测距的测量精度优于450 nm,测距残余误差的峰谷(PV)值为780 nm,验证了该方法实现亚微米级甚至纳米量级大量程空间精密测距的可行性.

飞秒光学频率梳以其频谱宽、 脉宽窄、 频率稳定度高等优点， 对光学频率计量、 绝对距离测量、 高精度光谱测定产生重大影响。 飞秒光学频率梳的时域特性和频域特性溯源至微波频率基准， 使得高精度气体吸收光谱探测成为可能。 飞秒光学频率梳光谱技术具有测量速度快、 光谱灵敏度高、 分辨率高、 信噪比高等优点， 因此加大对飞秒光学频率梳光谱技术的研究力度将更好地服务于环境保护、 工业生产、 生物医学、 科学研究等各领域。 飞秒光频梳高精度气体吸收光谱主要可分为光频梳腔衰荡光谱、 光频梳腔增强光谱和双光频梳多外差光谱。 其中， 根据采集方式不同， 光频梳腔增强光谱又可分为梳齿游标测量法、 虚拟成像相位阵列测量法和傅里叶变换测量法。 目前， 国外已广泛开展相关研究， 而国内仍处于起步阶段。 本文综述了飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱探测的主要技术方法， 展示了不同测量方法典型的实验方案， 分析了各探测方法的优缺点， 并追踪了主要研究小组的前沿成果。

新一代光纤飞秒光梳在精密测量和基础物理研究领域中有着广阔的前景, 一种通过数字电荷泵锁相环和温控电路相结合的方法可以精密控制光纤飞秒光梳。 成功搭建了光纤飞秒光梳系统。光梳的重复频率为129 MHz,初始频率大约为33 MHz。 通过自主研发的温控和数字电荷泵锁相环成功地把光纤飞秒光梳锁定在了由Agilent PSG Analog Singal Generator提供的标准微波信号上,锁定时间至少长达1天。锁定后重复频率的抖动标准差为0.78 mHz, 与基准源同一个数量级且很接近,锁定后初始频率的抖动标准差达8.98 Hz。