一种太赫兹波段频率标准、标准实现及进行量值传递方法
阅读说明：本技术 一种太赫兹波段频率标准、标准实现及进行量值传递方法 (Terahertz waveband frequency standard, standard realization and magnitude transmission method ) 是由 吴斌 陈坤峰 年夫顺 杨延召 刘红元 王洪超 王恒飞 应承平 靖衡 张桂鸣 程笑 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高精度太赫兹波段频率标准及量值传递方法,可产生0.1～5THz范围内任意频率的高稳定输出,并且由于溯源至微波频率标准,因此频率精度和稳定度可达10～(-11),很好地解决了太赫兹频率测量设备校准存在的可用频率点少、精度与稳定性不足的问题；并且提出了一种太赫兹频率量值传递方法,不仅可实现太赫兹频率测量设备的直接校准,还可以实现对太赫兹源输出波长的校准。(The invention provides a high-precision terahertz waveband frequency standard and magnitude transmission method, which can generate high-stability output of any frequency within the range of 0.1-5 THz, and the frequency precision and stability can reach 10 due to tracing to the microwave frequency standard ‑11 The problems of few available frequency points, insufficient precision and stability in the calibration of the terahertz frequency measuring equipment are well solved; the terahertz frequency magnitude transmission method is provided, so that direct calibration of terahertz frequency measurement equipment can be realized, and calibration of terahertz source output wavelength can also be realized.)
技术领域
本发明属于太赫兹频率测量设备校准技术领域，尤其涉及一种太赫兹波段频率标准、标准实现及进行其量值传递方法。
背景技术
太赫兹波段频率标准是一种产生太赫兹波段标准频率信号的装置，主要用于太赫兹光谱仪器以及频率测量设备的校准，对于保障太赫兹频率参数测量结果的准确可靠具有重要而实际的意义。目前高精度光谱分析、高性能太赫兹源的研制等方面均对太赫兹波段频率标准产生了明确需求。
目前缺乏严格意义上的太赫兹频率标准，因此太赫兹频率测量设备如法布里－珀罗(F-P)干涉仪、傅里叶变换光谱仪缺乏校准源，目前该类设备的校准主要是依靠标准具或标准物质进行。例如，在对太赫兹波段傅里叶变换光谱仪进行校准时，一般是采用聚苯乙烯作为标准物质，用傅里叶变换光谱仪测量该物质的特征吸收频率，然后基于标准值与测量值间的误差实现对光谱仪的校准。然而该物质在太赫兹波段并无特征吸收频率，因此只能利用该物质在远红外波段，即27.2THz处的特征吸收频率对光谱仪进行校准，真正意义上的太赫兹波段(一般为0.1THz～10THz)的校准精度无法得到保证。现有技术方案存在以下缺点：(1)标准具和标准物质一般只有离散分布的特征频率，因此可用校准频率点少；(2)校准精度不足以满足太赫兹设备研制和应用发展的要求；(3)只能用于对太赫兹频率或光谱测量设备的校准，无法解决太赫兹源输出频率的校准问题。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种太赫兹波段频率标准、标准实现及进行量值传递方法，可产生太赫兹波段标准频率信号，并实现对太赫兹源输出频率的定标以及对太赫兹频率测量设备的校准，对于保障太赫兹频率参数测量结果的准确可靠具有重要而实际的意义，同时解决了太赫兹源以及频率测量等设备的高精度频率校准问题。
一种太赫兹波段频率标准，由近红外可调谐波长源、近红外固定波长源、第一飞秒光梳及第二飞秒光梳、第一拍频模块及第二拍频模块、第一伺服环路及第二伺服环、以及一个混频器组成；
其中，第一飞秒光梳，用于提供对近红外可调谐波长源进行稳频锁定所需的标准光波长信号；第一拍频模块，用于实现近红外可调谐波长源输出波长与第一飞秒光梳特定梳齿的拍频，并将拍频后得到的误差锁定电信号通过第一伺服环路实现对近红外可调谐波长源输出波长的稳定控制，近红外可调谐波长用于产生窄线宽的近红外光；
第二飞秒光梳，用于提供近红外固定波长源进行稳频锁定所需的标准光波长信号；第二拍频模块，用于实现近红外固定波长源输出波长与第二飞秒光梳特定梳齿的拍频，并将拍频后得到的误差锁定电信号通过第二伺服环路实现对近红外固定波长源输出波长的稳定控制，近红外固定波长源可在1610nm附近的波长点输出窄线宽的近红外光；
混频器用于将入射到其上的近红外可调谐波长产生的窄线宽的近红外光，以及近红外固定波长源可在1610nm附近的波长点输出窄线宽的近红外光进行混频，从而产生单色太赫兹波。
上述中，所述近红外可调谐波长源基于外腔半导体技术产生窄线宽的近红外光，输出波长的调谐范围为1520nm～1630nm。
上述中，所述第一飞秒光梳和所述第二飞秒光梳均基于掺铒光纤振荡器实现，其重复频率fr和系统频移f0锁定到微波频率标准上，可精确获得光梳中每一个梳齿对应的波长值，分别用于提供对近红外可调谐波长源和近红外固定波长源进行稳频锁定所需的标准光波长信号。
上述中，所述第一伺服环路，用于驱动近红外可调谐波长源内部的腔长控制部件，即使在外界存在干扰的情况下仍然将腔长控制在稳定状态，从而实现对近红外可调谐波长源输出波长的稳定控制。
上述中，所述第二伺服环路，用于驱动近红外固定波长源内部的腔长控制部件，将固定波长源的输出波长进行稳定控制。
上述中，所述混频器是非线性晶体或带偏压的光开关。
上述中，所述混频器的输出频率范围覆盖了0.1THz～10THz的完整太赫兹波段，可通过调节近红外可调谐波长源的输出波长控制混频器输出单色太赫兹波的频率。
在上述内容的基础上，本发明还提供一种太赫兹波段频率标准实现方法，包括以下步骤：
步骤1：将从近红外可调谐波长源输出的光分出一路，使其与第一飞秒光梳输出的光梳信号合束后入射至第一拍频模块，从而产生出误差锁定电信号并通过第一伺服环路，实现对近红外可调谐波长源输出频率f1的锁定控制；
步骤2：将从近红外固定波长源输出的光分出一路，使其与第二飞秒光梳输出的光梳信号合束，然后入射至第二拍频模块，产生的误差锁定电信号通过第二伺服环路，实现对近红外固定波长源输出频率f2的锁定控制；
步骤3：锁定后的频率分别为f1和f2的两束光进行合束后共同入射到混频器中，在混频器作用下产生出频率为f1-f2的太赫兹波。
上述方法中，所述步骤1及步骤2没有先后顺序。
在上述内容的基础上，本发明还提供一种利用太赫兹频率标准进行量值传递的方法，包括步骤A或步骤B：
步骤A：在对傅里叶变换太赫兹光谱仪、太赫兹波长计等频率测量类设备进行校准时，将太赫兹源的输出频率调节至需要校准的频点，然后直接对频率测量设备进行校准；
步骤B：在对普通太赫兹源的输出频率进行校准时，将需要校准的太赫兹源输出信号与本发明所述的太赫兹频率标准产生的单色太赫兹波进行拍频，通过读取拍频信号的频率以及计算其标准偏差，即实现对被测太赫兹源输出频率以及相位噪声参数的校准。
采用上述方案，本发明相对于现有技术方案，本发明的优点在于：(1)校准频率可在0.1～10THz范围内任意选择；(2)输出频率精度和稳定性远高于现有技术；(3)适用范围更广，不仅可用于对频率测量设备校准，还可对太赫兹源的输出频率及相位噪声进行校准。
附图说明
图1为本发明中太赫兹波段频率标准结构示意图。
图2为本发明中太赫兹波段频率标准实现流程图。
图3为本发明中太赫兹波段频率标准进行量值传递的方法流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明的一个实施例是，一种太赫兹波段频率标准，由近红外可调谐波长源、近红外固定波长源、两台飞秒光梳、两个拍频模块、两个伺服环路和一个混频器组成；其中，飞秒光梳1用于提供对近红外可调谐波长源进行稳频锁定所需的标准光波长信号，拍频模块1用于实现近红外可调谐波长源输出波长与飞秒光梳1特定梳齿的拍频，并将拍频后得到的误差锁定电信号通过伺服环路1实现对近红外可调谐波长源输出波长的稳定控制，近红外可调谐波长用于产生窄线宽的近红外光；
飞秒光梳2用于提供近红外固定波长源进行稳频锁定所需的标准光波长信号，拍频模块2主要用于实现近红外固定波长源输出波长与飞秒光梳2特定梳齿的拍频，并将拍频后得到的误差锁定电信号通过伺服环路2实现对近红外固定波长源输出波长的稳定控制，近红外固定波长源可在1610nm附近的波长点输出窄线宽的近红外光；
混频器用于将入射到其上的近红外可调谐波长产生的窄线宽的近红外光及近红外固定波长源可在1610nm附近的波长点输出窄线宽的近红外光进行混频，从而产生单色太赫兹波。
其中，近红外可调谐波长源基于外腔半导体技术产生窄线宽的近红外光，输出波长的调谐范围为1520nm～1630nm，具有调谐范围宽、调谐分辨率高和光谱纯度高的特点。这些优点可保证产生的太赫兹波在宽频率范围内实现精细调谐，同时还具有超窄线宽。
近红外固定波长源可在1610nm附近的波长点输出窄线宽的近红外光，调谐范围相对固定，仅为几纳米。
飞秒光梳1和飞秒光梳2都是基于掺铒光纤振荡器实现，其重复频率fr和系统频移f0锁定到微波频率标准上，可精确获得光梳中每一个梳齿对应的波长值，分别用于提供对近红外可调谐波长源和近红外固定波长源进行稳频锁定所需的标准光波长信号。
拍频模块1主要用于实现近红外可调谐波长源输出波长与飞秒光梳1特定梳齿的拍频，并将拍频后得到的误差锁定电信号通过伺服环路1实现对近红外可调谐波长源输出波长的稳定控制。通过这种方法，近红外可调谐波长源输出波长的稳定度与精度取决于飞秒光梳中的微波频率标准。例如，若飞秒光梳中的微波频率标准为铷钟，那么近红外可调谐波长源的波长稳定度和精度均可达10-11量级以上，远高于现有光波长标准所能达到的水平。
拍频模块2主要用于实现近红外固定波长源输出波长与飞秒光梳2特定梳齿的拍频，并将拍频后得到的误差锁定电信号通过伺服环路2实现对近红外固定波长源输出波长的稳定控制，稳定度和精度同样可达到上述水平。
伺服环路1用于驱动近红外可调谐波长源内部的腔长控制部件，即使在外界存在干扰(温变、振动等)的情况下仍然将腔长控制在稳定状态，从而实现对近红外可调谐波长源输出波长的稳定控制。
伺服环路2用于驱动近红外固定波长源内部的腔长控制部件，与伺服环路1类似，将固定波长源的输出波长进行稳定控制。
混频器可以是非线性晶体也可以是带偏压的光开关等，主要用于对入射到其上的两束窄线宽近红外光进行混频，从而产生出单色太赫兹波。混频器的输出频率范围覆盖了0.1THz～10THz的完整太赫兹波段，可通过调节近红外可调谐波长源的输出波长控制混频器输出单色太赫兹波的频率。同时混频器性能稳定，不对产生的太赫兹波频率造成影响，即产生的太赫兹波频率严格取决于两个近红外波长源的输出特性。
如图2所示，本发明在上述内容的基础上的另一个实施例是，一种太赫兹波段频率标准实现的方法，包括以下步骤：
步骤1：将从近红外可调谐波长源输出的光分出一路，使其与飞秒光梳1输出的光梳信号合束后入射至拍频模块1，从而产生出误差锁定电信号并通过伺服环路1实现对近红外可调谐波长源输出频率f1的锁定控制；
步骤2：将从近红外固定波长源输出的光分出一路，使其与飞秒光梳2输出的光梳信号合束，然后入射至拍频模块2，产生的误差锁定电信号通过伺服环路2实现对近红外固定波长源输出频率f2的锁定控制；上述步骤1及步骤2没有先后顺序；
步骤3：锁定后的频率分别为f1和f2的两束光进行合束后共同入射到混频器中，在混频器作用下产生出频率为f1-f2的太赫兹波。由于f1和f2均被严格锁定至光梳，因此产生的太赫兹输出频率具有很高的精度和稳定性，可作为太赫兹波段频率标准使用。
如图3所示，本发明在上述内容的基础上，还提出了一种利用上述太赫兹频率标准进行量值传递的方法，包括步骤A或步骤B：
步骤A：在对傅里叶变换太赫兹光谱仪、太赫兹波长计等频率测量类设备进行校准时，可将太赫兹源的输出频率调节至需要校准的频点，然后就可以直接对频率测量设备进行校准；
步骤B：在对普通太赫兹源的输出频率进行校准时，将需要校准的太赫兹源输出信号与本发明所述的太赫兹频率标准产生的单色太赫兹波进行拍频，通过读取拍频信号的频率以及计算其标准偏差，即可实现对被测太赫兹源输出频率以及相位噪声参数的校准。
具体的：选择标称输出频率值fQCL在2.52THz的太赫兹量子级联激光器做为被测太赫兹源。首先将近红外可调谐波长源的输出频率f1调节至1588.685nm，经与上述频率标准中的固定波长源拍频后产生出2.5THz的标准频率；然后将此标准频率与太赫兹量子级联激光器的输出光在拍频器件上进行拍频后产生出频率在20GHz附近的拍频信号，用频谱分析仪读取该拍频信号的具体数值及其波动数据并进行计算，就可得到被测太赫兹源的确切输出频率及相位噪声。
采用上述方案，本发明相对于现有技术方案，本发明的优点在于：(1)校准频率可在0.1～10THz范围内任意选择；(2)输出频率精度和稳定性远高于现有技术；(3)适用范围更广，不仅可用于对频率测量设备校准，还可对太赫兹源的输出频率及相位噪声进行校准。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。