激光频率梳课件

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1、基于激光频率梳的天文光谱基于激光频率梳的天文光谱定标系统定标系统肖肖 东东第四届海峡两岸天文望远镜与观测前沿技术研讨会第四届海峡两岸天文望远镜与观测前沿技术研讨会台湾台湾 日月潭日月潭2011年年11月月26日日基于激光频率梳的天文光谱定标系统报告内容报告内容一、激光频率梳一、激光频率梳(Laser frequency comb)激光频率梳简介激光频率梳简介激光频率梳的发展激光频率梳的发展二、天文光谱定标二、天文光谱定标太阳系外行星探测太阳系外行星探测现有天文光谱定标现有天文光谱定标三、激光频率梳技术应用于天文光谱定标所三、激光频率梳技术应用于天文光谱定标所面临的挑战面临的挑战四、小结四、小结

2、报告内容一、激光频率梳(Laser frequency c1.1 1.1 激光频率梳技术激光频率梳技术激激光光频频率率梳梳以以锁锁模模超超短短脉脉冲冲激激光光器器为为基基础础，通通过过对对纵纵模模间间隔隔和和初始频率偏移的精密控制，获得到稳定、准确的光谱。初始频率偏移的精密控制，获得到稳定、准确的光谱。fn=n*frep+=/2T纵模间隔：激光器的腔长。纵模间隔：激光器的腔长。初初始始频频率率偏偏移移：激激光光谐谐振振腔腔内群速度、相速度的不同。内群速度、相速度的不同。激光频率梳原理激光频率梳原理(a)时域时域(b)频域频域fn=n*frep+=/2T纵1.2 1.2 激光频率梳的发展激光频率

3、梳的发展现状现状:波长覆盖波长覆盖:可见光可见光/近红外近红外:掺钛蓝宝石掺钛蓝宝石掺稀土增益介质的光纤激光器掺稀土增益介质的光纤激光器重复频率重复频率:几百兆赫几百兆赫天文应用对激光频率梳的要求天文应用对激光频率梳的要求:光谱范围更宽广光谱范围更宽广重复频率大于重复频率大于10GHz10GHz天文用激光频率梳的发展动向：天文用激光频率梳的发展动向：激光频率梳的频谱扩展，向短波长或长波长方向扩展激光频率梳的频谱扩展，向短波长或长波长方向扩展基于微腔结构的激光频率梳基于微腔结构的激光频率梳1.2 激光频率梳的发展现状:2.1 2.1 太阳系外行星探测太阳系外行星探测19891989年：年：Lat

4、ham,Mayor,et al Latham,Mayor,et al 探测到了一颗围绕着探测到了一颗围绕着HD114762HD114762的伴星。的伴星。19951995年：年：Mayor,Mayor,QuelozQueloz发现发现51 51 Peg bPeg b 。太阳系外行星探测太阳系外行星探测 一一个重要里程碑。个重要里程碑。2.1 太阳系外行星探测视向速度测量法视向速度测量法通过观测恒星光谱的多普通过观测恒星光谱的多普勒频移，可以获得有关行勒频移，可以获得有关行星的信息。星的信息。早在上个世纪五十年代，美国科学家就提出进行天体的视向速度测量。早在上个世纪五十年代，美国科学家就提出进行

5、天体的视向速度测量。视向速度法视向速度法其它方法其它方法已经发现的地外行星已经发现的地外行星视向速度测量法通过观测恒星光谱的多普勒频移，可以获得有关行星2.2 2.2 现有天文光谱定标现有天文光谱定标:碘吸收谱线定标碘吸收谱线定标:使用简便；使用简便；波长覆盖范围波长覆盖范围500630nm500630nm，并拥有有足够多的特征用来进行定标；，并拥有有足够多的特征用来进行定标；碘本身安全、化学稳定，只具有轻微的腐蚀性；碘本身安全、化学稳定，只具有轻微的腐蚀性；碘盒对由望远镜搜集到的天体光有较大的衰减；碘盒对由望远镜搜集到的天体光有较大的衰减；不能覆盖整个可见光范围。不能覆盖整个可见光范围。钍氩

6、灯同步定标钍氩灯同步定标:光谱覆盖范围宽光谱覆盖范围宽310nm1100nm310nm1100nm ；钍氩灯自身的结构限制了它的长期稳定性。在钍氩灯的整个工作寿命期钍氩灯自身的结构限制了它的长期稳定性。在钍氩灯的整个工作寿命期间，钍氩灯谱线的波长和强度都会发生微小的变化，进而引入测间，钍氩灯谱线的波长和强度都会发生微小的变化，进而引入测量的系统误差。量的系统误差。两者共同的缺点两者共同的缺点:谱线空间分布不均匀；谱线空间分布不均匀；谱线强度差异较大；谱线强度差异较大；长期稳定性不好；长期稳定性不好；满足探测类地行星所需的精度要求。满足探测类地行星所需的精度要求。2.2 现有天文光谱定标:碘吸收

7、谱线定标:使用简便；两者共激光频率梳技术应用于天文光谱定标激光频率梳技术应用于天文光谱定标20082008年，德国马克思年，德国马克思-普朗克量子光学研究所与普朗克量子光学研究所与ESOESO合作将激光频率梳安装合作将激光频率梳安装到德国真空太阳塔望远镜到德国真空太阳塔望远镜上，观测到太阳光谱的多上，观测到太阳光谱的多普勒频移。普勒频移。2010年，采用激光频年，采用激光频率梳给率梳给ESO的的HARPS进进行定标，获得了行定标，获得了15厘米厘米/秒秒的重复定标精度。的重复定标精度。激光频率梳课件3.激光频率梳技术应用于天文光谱定标所面临的挑战激光频率梳技术应用于天文光谱定标所面临的挑战激光

8、频率梳谱线间隔的提高激光频率梳谱线间隔的提高光纤传输系统的输入耦合光纤传输系统的输入耦合光纤传输系统光纤传输系统光纤传输系统输出耦合光纤传输系统输出耦合环境因素对测量精度的影响环境因素对测量精度的影响核心核心:激光频率梳输出光束的频率高保真传输。激光频率梳输出光束的频率高保真传输。3.激光频率梳技术应用于天文光谱定标所面临的挑战激光频率梳激光激光频率梳重复率梳重复频率的提高：率的提高：采用腔外法布里珀采用腔外法布里珀罗（F-PF-P腔）腔）滤波装置来提高波装置来提高谱线间隔。根隔。根据据F-PF-P腔的腔的边摸抑制特性，将采用摸抑制特性，将采用单F-PF-P腔或腔或级联的的F-PF-P腔来达到

9、腔来达到最最终的的谱线间隔要求。隔要求。激光频率梳课件激光激光频率梳光束在多模光率梳光束在多模光纤中的中的传输采用采用扰模技模技术，增加光，增加光纤中模式之中模式之间的耦合，使光的耦合，使光纤的空的空间、透、透过特性均匀。特性均匀。扰模技模技术：机械机械扰模：利用机械的方法使光模：利用机械的方法使光纤产生微弯曲。生微弯曲。光光纤变换扰模：在模：在阶跃折射率的光折射率的光纤中接入一段中接入一段渐变折射率的光折射率的光纤。采用扰模技术，增加光纤中模式之间的耦合，使光纤的空间、透过特外界物理外界物理环境境对系系统稳定性的影响定性的影响针对温温度度、压力力通通过折折射射率率和和色色散散等等效效应对测量

10、量精精度度的的影影响响，将将采采用用相相应的的措措施施来来降降低低影影响响。一一种种方方案案是是采采用用恒恒温温、恒恒压的的方方法法，另另一一种种方方案案将将采采用用整整个个系系统抽抽真真空空的的方方法法。同同时还要要考考虑减振措施来降低振减振措施来降低振动所造成的影响。所造成的影响。激光激光频率梳，光率梳，光纤传输系系统，光，光谱仪的有效耦合的有效耦合焦比劣化焦比劣化问题：外界物理环境对系统稳定性的影响激光频率梳，光纤传输系统，光谱小小 结结 采用激光频率梳技术进行天文光谱定标正在成为采用激光频率梳技术进行天文光谱定标正在成为一种趋势。一种趋势。将激光频率梳技术应用于天文光谱定标，还有许将激光频率梳技术应用于天文光谱定标，还有许多关键技术有待解决。这是一项具有挑战性的研多关键技术有待解决。这是一项具有挑战性的研究工作。究工作。小 结 采用激光频率梳技术进行天文光谱定标正在成为一种趋势。谢谢 谢！谢！谢 谢！激光频率梳课件激光频率梳课件fn=nfrep+f2n=2nfrep+2fn=2(nfrep+)2fn-f2n=2(nfrep+)-(2nfrep+)=fn=nfrep+