激光頻率梳課件

1、基于激光頻率梳的天文光譜基于激光頻率梳的天文光譜定標(biāo)系統(tǒng)定標(biāo)系統(tǒng)肖肖 東東第四屆海峽兩岸天文望遠(yuǎn)鏡與觀測(cè)前沿技術(shù)研討會(huì)第四屆海峽兩岸天文望遠(yuǎn)鏡與觀測(cè)前沿技術(shù)研討會(huì)臺(tái)灣臺(tái)灣 日月潭日月潭2011年年11月月26日日?qǐng)?bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容一、激光頻率梳一、激光頻率梳 (Laser frequency comb)激光頻率梳簡(jiǎn)介激光頻率梳簡(jiǎn)介激光頻率梳的發(fā)展激光頻率梳的發(fā)展二、天文光譜定標(biāo)二、天文光譜定標(biāo)太陽系外行星探測(cè)太陽系外行星探測(cè)現(xiàn)有天文光譜定標(biāo)現(xiàn)有天文光譜定標(biāo)三、激光頻率梳技術(shù)應(yīng)用于天文光譜定標(biāo)所三、激光頻率梳技術(shù)應(yīng)用于天文光譜定標(biāo)所面臨的挑戰(zhàn)面臨的挑戰(zhàn)四、小結(jié)四、小結(jié)1.1 1.1 激光頻率梳技術(shù)

2、激光頻率梳技術(shù)激光頻率梳以鎖模超短脈沖激光器為基礎(chǔ)，通過對(duì)縱模間隔和激光頻率梳以鎖模超短脈沖激光器為基礎(chǔ)，通過對(duì)縱模間隔和初始頻率偏移的精密控制，獲得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的光譜。初始頻率偏移的精密控制，獲得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的光譜。fn = n * frep + = / 2T縱模間隔：激光器的腔長(zhǎng)?？v模間隔：激光器的腔長(zhǎng)。初始頻率偏移：激光諧振腔初始頻率偏移：激光諧振腔內(nèi)群速度、相速度的不同。內(nèi)群速度、相速度的不同。激光頻率梳原理激光頻率梳原理 (a) 時(shí)域時(shí)域 (b) 頻域頻域1.2 1.2 激光頻率梳的發(fā)展激光頻率梳的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)狀: : 波長(zhǎng)覆蓋波長(zhǎng)覆蓋: : 可見光可見光/ /近紅外近紅外: : 摻鈦

3、藍(lán)寶石摻鈦藍(lán)寶石摻稀土增益介質(zhì)的光纖激光器摻稀土增益介質(zhì)的光纖激光器重復(fù)頻率重復(fù)頻率: : 幾百兆赫幾百兆赫天文應(yīng)用對(duì)激光頻率梳的要求天文應(yīng)用對(duì)激光頻率梳的要求: :光譜范圍更寬廣光譜范圍更寬廣重復(fù)頻率大于重復(fù)頻率大于10GHz10GHz天文用激光頻率梳的發(fā)展動(dòng)向：天文用激光頻率梳的發(fā)展動(dòng)向：激光頻率梳的頻譜擴(kuò)展，向短波長(zhǎng)或長(zhǎng)波長(zhǎng)方向擴(kuò)展激光頻率梳的頻譜擴(kuò)展，向短波長(zhǎng)或長(zhǎng)波長(zhǎng)方向擴(kuò)展基于微腔結(jié)構(gòu)的激光頻率梳基于微腔結(jié)構(gòu)的激光頻率梳2.1 2.1 太陽系外行星探測(cè)太陽系外行星探測(cè)19891989年：年：Latham, Mayor, et al Latham, Mayor, et al 探測(cè)到了一

4、顆圍繞著探測(cè)到了一顆圍繞著HD114762HD114762的伴星。的伴星。 19951995年：年：Mayor , Mayor , QuelozQueloz發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)51 51 Peg bPeg b 。太陽系外行星探測(cè)太陽系外行星探測(cè) 一一個(gè)重要里程碑。個(gè)重要里程碑。視向速度測(cè)量法視向速度測(cè)量法通過觀測(cè)恒星光譜的多普通過觀測(cè)恒星光譜的多普勒頻移，可以獲得有關(guān)行勒頻移，可以獲得有關(guān)行星的信息。星的信息。早在上個(gè)世紀(jì)五十年代，美國科學(xué)家就提出進(jìn)行天體的視向速度測(cè)量。早在上個(gè)世紀(jì)五十年代，美國科學(xué)家就提出進(jìn)行天體的視向速度測(cè)量。視向速度法視向速度法其它方法其它方法已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的地外行星已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的地外行星2

5、.2 2.2 現(xiàn)有天文光譜定標(biāo)現(xiàn)有天文光譜定標(biāo): :碘吸收譜線定標(biāo)碘吸收譜線定標(biāo): : 使用簡(jiǎn)便；使用簡(jiǎn)便；波長(zhǎng)覆蓋范圍波長(zhǎng)覆蓋范圍500630nm500630nm，并擁有有足夠多的特征用來進(jìn)行定標(biāo)；，并擁有有足夠多的特征用來進(jìn)行定標(biāo)；碘本身安全、化學(xué)穩(wěn)定，只具有輕微的腐蝕性；碘本身安全、化學(xué)穩(wěn)定，只具有輕微的腐蝕性；碘盒對(duì)由望遠(yuǎn)鏡搜集到的天體光有較大的衰減；碘盒對(duì)由望遠(yuǎn)鏡搜集到的天體光有較大的衰減；不能覆蓋整個(gè)可見光范圍。不能覆蓋整個(gè)可見光范圍。釷氬燈同步定標(biāo)釷氬燈同步定標(biāo): : 光譜覆蓋范圍寬光譜覆蓋范圍寬310nm1100nm310nm1100nm ；釷氬燈自身的結(jié)構(gòu)限制了它的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

6、。在釷氬燈的整個(gè)工作壽命期釷氬燈自身的結(jié)構(gòu)限制了它的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在釷氬燈的整個(gè)工作壽命期間，釷氬燈譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生微小的變化，進(jìn)而引入測(cè)間，釷氬燈譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生微小的變化，進(jìn)而引入測(cè)量的系統(tǒng)誤差。量的系統(tǒng)誤差。兩者共同的缺點(diǎn)兩者共同的缺點(diǎn): : 譜線空間分布不均勻；譜線空間分布不均勻； 譜線強(qiáng)度差異較大；譜線強(qiáng)度差異較大； 長(zhǎng)期穩(wěn)定性不好；長(zhǎng)期穩(wěn)定性不好； 滿足探測(cè)類地行星所需的精度要求。滿足探測(cè)類地行星所需的精度要求。激光頻率梳技術(shù)應(yīng)用于天文光譜定標(biāo)激光頻率梳技術(shù)應(yīng)用于天文光譜定標(biāo)20082008年，德國馬克思年，德國馬克思- -普朗克量子光學(xué)研究所與普朗克量子光學(xué)研究所與

7、ESOESO合作將激光頻率梳安裝合作將激光頻率梳安裝到德國真空太陽塔望遠(yuǎn)鏡到德國真空太陽塔望遠(yuǎn)鏡上，觀測(cè)到太陽光譜的多上，觀測(cè)到太陽光譜的多普勒頻移。普勒頻移。2010年，采用激光頻年，采用激光頻率梳給率梳給ESO的的HARPS進(jìn)進(jìn)行定標(biāo)，獲得了行定標(biāo)，獲得了15厘米厘米/秒的重復(fù)定標(biāo)精度。秒的重復(fù)定標(biāo)精度。3. 激光頻率梳技術(shù)應(yīng)用于天文光譜定標(biāo)所面臨的挑戰(zhàn)激光頻率梳技術(shù)應(yīng)用于天文光譜定標(biāo)所面臨的挑戰(zhàn) 激光頻率梳譜線間隔的提高激光頻率梳譜線間隔的提高 光纖傳輸系統(tǒng)的輸入耦合光纖傳輸系統(tǒng)的輸入耦合 光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng) 光纖傳輸系統(tǒng)輸出耦合光纖傳輸系統(tǒng)輸出耦合 環(huán)境因素對(duì)測(cè)量精度的影響環(huán)境因

8、素對(duì)測(cè)量精度的影響核心核心: : 激光頻率梳輸出光束的頻率高保真?zhèn)鬏?。激光頻率梳輸出光束的頻率高保真?zhèn)鬏?。激光頻率梳重復(fù)頻率的提高：激光頻率梳重復(fù)頻率的提高：采用腔外法布里珀羅（采用腔外法布里珀羅（F-PF-P腔）濾波裝置來提高譜線間隔。根腔）濾波裝置來提高譜線間隔。根據(jù)據(jù)F-PF-P腔的邊摸抑制特性，將采用單腔的邊摸抑制特性，將采用單F-PF-P腔或級(jí)聯(lián)的腔或級(jí)聯(lián)的F-PF-P腔來達(dá)到腔來達(dá)到最終的譜線間隔要求。最終的譜線間隔要求。 激光頻率梳光束在多模光纖中的傳輸激光頻率梳光束在多模光纖中的傳輸采用擾模技術(shù)，增加光纖中模式之間的耦合，使光纖的空間、透過采用擾模技術(shù)，增加光纖中模式之間的耦合

9、，使光纖的空間、透過特性均勻。特性均勻。擾模技術(shù)：擾模技術(shù)：機(jī)械擾模：利用機(jī)械的方法使光纖產(chǎn)生微彎曲。機(jī)械擾模：利用機(jī)械的方法使光纖產(chǎn)生微彎曲。 光纖變換擾模：在階躍折射率的光纖中接入一段光纖變換擾模：在階躍折射率的光纖中接入一段漸變折射率的光纖。漸變折射率的光纖。 外界物理環(huán)境對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響外界物理環(huán)境對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響針對(duì)溫度、壓力通過折射率和色散等效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響，將針對(duì)溫度、壓力通過折射率和色散等效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響，將采用相應(yīng)的措施來降低影響。一種方案是采用恒溫、恒壓的方采用相應(yīng)的措施來降低影響。一種方案是采用恒溫、恒壓的方法，另一種方案將采用整個(gè)系統(tǒng)抽真空的方法。同時(shí)還要考慮法，另一種方案將采用整個(gè)系統(tǒng)抽真空的方法。同時(shí)還要考慮減振措施來降低振動(dòng)所造成的影響。減振措施來降低振動(dòng)所造成的影響。 激光頻率梳，光纖傳輸系統(tǒng)，光譜儀的有效耦合激光頻率梳，光纖傳輸系統(tǒng)，光譜儀的有效耦合焦比劣化問題：焦比劣化問題：小小 結(jié)結(jié) 采用激光頻率梳技術(shù)進(jìn)行天文光譜定標(biāo)正在成為采用激光頻率梳技術(shù)進(jìn)行天文光譜定標(biāo)正在成為一種趨勢(shì)。一種趨勢(shì)。 將激光頻率梳技術(shù)應(yīng)用于天