飞秒光梳
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学 然科谐波光频链 部实 学基 米: 波长标准(633nm,532nm,..), BIPM4！
验物 金委 高精度干涉仪 理讲习员会 几何量计量
商品干涉仪 机械产业
班
国
数 国家际计量委员会(CIPM)推荐的标准波长: 序号 吸收物质
跃迁
频率(f)（kHz）
真空波长（fm）
不确定度
自 1
115In+
理 然 2
实 学 5
171Yb+
2S1/2 (F=0, mF=0) – 2F7/2 (F=3, mF=0)
642 121 496 772.6(2.6) 466 878 090.061 (2) 4×10-12
基 6
127I2
R(56) 32 – 0, a10
563 260 223 513 (5)
532 245 036.104 (5) 8.9×10-12
金 TA(NIM) 物 (1.8E-14) 理讲委员 国际原子时TAI 习 会 国际协调时UTC
光学波长标准
如: - 127I2 饱和吸收 (532nm,633nm) - 13C2H2饱和吸收
(1532nm)
班
国 数理家自 1, 前言: 从米到秒
学 然科 2, 激光波长标准: 实际实施米定义 部 学 3, 冷原子喷泉钟: 实现秒定义 实 基 4, 飞秒光学频率梳: 复现米定义 -- 联系光学波长和微波 验物 金 频率的桥梁 理 委 5, 原子/离子存储光频标 - 下一代频率基准? 讲习员会 6, 结束语
验 金 7
127I2
R(127) 11 – 5，a16 (f)
473 612 353 604 (10) 632 991 212.579 (13) 2.1×10-11
物 8
40Ca
1S0 – 3P1, ∆mJ=0
455 986 240 494.150 (50) 657 459 439.291 67 (7) 1.1×10-13
国
数 家自 NIM 2006前频率-波长计量:
按方法c)推荐波长值实施米 定义的实验基础(1980-1999):
理学 然谐波光频链 科 (NIM 1996放弃)
部实验学基 NIM守时钟组
频率基准 - 谐波光频链 - 标定 波长(E-(10~12) )
按方法c), 波长标准具有独立 基准量的性质(稳定度,复现性 ,准确度E-10 - E-12).
第一个自然基准量定义 (1983)
班
国
家1983国际计量委员会(CIPM)(CI-1983): 数 自 米应当以如下方法之一实现:
理学 然 a) 直接复现: l=c0t, c0=299,792,458m/s, 直接测量t, 科 如 测距仪使用的激光调制-比相法, 激光脉冲测时法和全球定位 部 系统GPS测距, 大于几km的长度; 实 学基 b) 间接复现: λ0=c0/f, 直接测量f, 验 金 如 频率基准 + 飞秒光梳 + c0; 物 委 c) 实际实施: (在λ0=c0/f标定的基础上)推荐13条真空波长值; 理 员 如 (频率基准 ＋ 谐波光频链 -) 127I2吸收室饱和吸收稳频的He讲习 会 Ne激光推荐真空波长 λ0=632 991 212.579 (2.1E-11)。
1H
5s2 1S0 – 5百度文库5p 3P0 1S – 2S 双光子跃迁
1 267 402 452 899.92 (46) 236 540 853.549 75 (9) 4×10-13 1 233 030 706 593.55(25) 243 134 624.626 04 (5) 2×10-13
学 科 3
通讯; 网络; 运输; 资源;
.
科学研究: 相对论;
天文; 物理;
.
导航: GPS,北斗
地面站 中心站
基准
重力 .
.
.
班
国
家Those who know GPS will tell you that it is really a time comparison 数 system that can do navigation. 懂GPS的人会告诉你, GPS本质上是
理 委 9
88Sr+
5 2S1/2 – 4 2D5/2
444 779 044 095.5 (4) 674 025 590.863 1 (5) 7.9×10-13
讲 员 10
85Rb
5 S1/2 (Fg=3) – 5 D5/2 (Fe=5) 双光子跃迁
385 285 142 375 (5)
778 105 421.23 (1) 1.3×10-11
2.7x10-15 1.1 x10-15 10-16
班
国 家--11995555英英国国NNPPLL第第一一台台磁磁选选态态铯铯原原子子束束钟钟
数 --NNIIMM33磁磁选选态态铯铯原原子子束束钟钟((11998811完完成成,,11998866改改造造)):: 理学自部然实科验学物基理金讲委习员会 不不确确定定度度33EE--1133.. 班
中心站
地面站 地面站
守时TA(k)
班
国
数 家自 时间频率基准-实验室型原子钟的发展:
理学 然科 Cs钟
1967 1977 1987 1997
2001 2007
部实 学 磁选态 10-11 ~ -12 10-12 10-13 1.4x10-14
验 基金 光抽运
10-14 7x10-15
物理讲委习员会 冷原子喷泉
国
数 家原子钟 - 振荡器: 理 自然振荡器 计数器 显示器
学部实科学基 振荡器 验物理金讲委习员会 原子
计数器 显示器
谐振
1
0
班
国 数理家学自部然实科验学物基理金讲委习员会
班 (法国LPTF)
国 数理家学自部然实科验学物基理金讲(N无委IM线习守电时处员):会
班
国
数 家NIM 微波 - 光学频率计量系统:
自 一个时间比较系统, 这个系统能导航。 Joe White from Naval Research 理Lab. USA, The role of time and frequency in GPS, UFFC2004 (Montreal) p22-23.
学部然实科验学物基理金讲委习员会 北斗二号:
PZT
腔镜
PBS
班
国 数理家学自部然实科验学物基理金讲委员 NIM的I127 稳频633nm He-Ne 激光
习 会 (1978-1998) 班 (量子处波长组)(不确定度 2E-11)
国 家NIM的I127 稳频
数 532nmNd:YAG 激光 理 自 (量子处光频组) 学部然实科验学物基理金讲委习员会 (不确定度 8.9E-12) (2005) 班
R(10), (0001)– (1000)
29 054 057 446.579 (20) 10 318 436 884.461 (7) 6.9×10-13
国
数 家自 633nm He-Ne 激光I127 饱和稳频原理
理学 然科 稳频器
部实验学基 激光增益管 I127 吸收室
探测器
物理金讲委习员会 腔镜
班
国
数理家自 米定义 然 • 1983 CGPM, 米(m): 学 科 - 真空中光在 1/ 299,792,458 秒(s)时间间隔传播的距离. 部 学 L = c0 t 实 - 将真空光速定义为普适常数: 验 基 c0 = 299 792 458 m/s. 物 金委 • 理论上, 米不再是独立定义量, 而从秒导出. 理讲习员会 随之, 光学波长也溯源到时间频率.
国 数 家自 • 国际单位制(SI)基本量:
理 然 - 长度: 米(m); 学 科 - 质量: 千克(kg); 部 学 - 时间: 秒(s); 实 基 - 电流: 安培(A), [QHR电阻(Ω) 和Josophson电 验 压(V)]; 金 - 温度: 开尔文(K); 物 委 - 发光强度: 坎德拉(cd); 理讲习员会 - 物质的量: 摩尔(mol). 班
习 会 11
13C2H2
P(16), (ν1+ν3)
194 369 569.4 (1) MHz
1 542 383 712 (1)
5.2×10-10
12
CH4
P(7),
ν3,
F (2) 2
88 376 181 600.18 (27)
班 3 392 231 397.327 (10) 3×10-12
13
OsO4
理学自部然科 守时钟组 学 TA(NIM) (3 Cs + 3 H) 实 (1.8E-14) 验 基金 GPS 物理 委 BIPM 讲习员会 TAI & UTC
时间频率发播:
- GPS (10ns) - TV (1E-11) - Tel. (10ms) - Internet (1s)
光学波长标准:
如: - 127I2 stabilized 532nm,633nm - 13C2H2 stabilized 1542nm
班
国
家NIM时间频率发播(无线电处): 数理 自 GPS共视:10ns
学部然实科验学物基金 守时TA(NIM)
TV(CCTV1付载波):10-12(?) 网络:1s (http://nimtime.nim.ac.cn)
理讲委习员会 电话:10ms (http://nimtime.nim.ac.cn;64229086)
班
国 数 家自 秒定义
理 然 • 秒(s) - SI 七个基本量中最重要, 应用最广, 准确 学 科 度最高. 部 学 - 1952 国际天文联盟(IAU): 天文秒; 实验 基 - 1967 CGPM, 原子秒(s): 物 金 133Cs 基态两超精细结构能级跃迁对应辐射 委 9,192,631,770 个周期的时间. 理 员 (1) 海平面; 讲习 会 (2) 无干扰的 (undisturbed) （2006）. 班
国
1995: 激光冷却 -原子喷泉钟
数 家法国LPTF的A.Clairon组 自 冷原子喷泉不确定度E-15
班
国
家• 应用: 实验室基准钟
数理 自然商品守时钟组TA(NIM) 学部 科学 TA(NIM)时间/频率发播: TV, GPS, 电话, 网络
实验 基金 计量: 物 委 长度(m): 理 <L> = c t (1983); 员 电压(V): 讲习 会 V = n (f h / 2e) (1990);
国 数理家自 1, 前言: 从米到秒
学 然科 2, 激光波长标准: 实际实施米定义 部 学 3, 冷原子喷泉钟: 实现秒定义 实 基 4, 飞秒光学频率梳: 复现米定义 -- 联系光学波长和微波 验物 金 频率的桥梁 理 委 5, 原子/离子存储光频标 - 下一代频率基准? 讲习员会 6, 结束语
国 数 家自 从长度单位米到时间单位秒:
理学 然 NIM的稳频激光 - 铯喷泉钟 - 飞秒光梳 - 光钟 部实科验学物基金委 中国计量科学研究院 (NIM) 理 李天初 讲习员会 2007,5 班
国 数理家自 1, 前言: 从米到秒
学 然科 2, 激光波长标准: 实际实施米定义 部 学 3, 冷原子喷泉钟: 实现秒定义 实 基 4, 飞秒光学频率梳: 实现米定义 -- 联系光学波长和微波 验物 金 频率的桥梁 理 委 5, 原子/离子存储光频标 - 下一代频率基准? 讲习员会 6, 结束语
开放 的定义和复现 (1983)
班
国
家谐谐波波光光学学频频率率--微微波波频频率率链链::依依照照cc))方方法法复复现现米米定定义义 数理学自部然实科验学物基理金讲委习员会 跨越E4频率！
(德国PTB)
班
国 数理家学自部然实科验学物基理金讲委习员会
班 (法国LPTF)
国
家按第c)吸收室方法实际实施长度单位米: 数理 自 频率标准
班
国 数 家自 自20世纪中
理 然 实物基准 自然基准(粒子、粒子体系的量 学 科 子力学性质): 部实 学 ∆E = h f 基 式中∆E:能量差; h:普朗克常数; f:电磁波频率. 验物 金 量子理论: 粒子的能级结构与宏观参数(如形状、 委 体积、质量等)无明显关系 理讲 员 - 单位稳定性和准确度, 习 会 - 复现客观性和独立性。 班
199Hg+ 5d106s 2S1/2 (F=0) – 5d96s2 2D5/2 (F=2)， ∆mF =10 064 721 609 899.143(20) 281 568 867.591 97 (5) 1.9×10-14
部 4
171Yb+ 6s 2S1/2 (F=0, mF=0) – 5d 2D3/2 (F=2, mF=0) 688 358 979 309.312(20) 435 517 610.739 69 (1) 2.9×10-14
验物 金委 高精度干涉仪 理讲习员会 几何量计量
商品干涉仪 机械产业
班
国
数 国家际计量委员会(CIPM)推荐的标准波长: 序号 吸收物质
跃迁
频率(f)（kHz）
真空波长（fm）
不确定度
自 1
115In+
理 然 2
实 学 5
171Yb+
2S1/2 (F=0, mF=0) – 2F7/2 (F=3, mF=0)
642 121 496 772.6(2.6) 466 878 090.061 (2) 4×10-12
基 6
127I2
R(56) 32 – 0, a10
563 260 223 513 (5)
532 245 036.104 (5) 8.9×10-12
金 TA(NIM) 物 (1.8E-14) 理讲委员 国际原子时TAI 习 会 国际协调时UTC
光学波长标准
如: - 127I2 饱和吸收 (532nm,633nm) - 13C2H2饱和吸收
(1532nm)
班
国 数理家自 1, 前言: 从米到秒
学 然科 2, 激光波长标准: 实际实施米定义 部 学 3, 冷原子喷泉钟: 实现秒定义 实 基 4, 飞秒光学频率梳: 复现米定义 -- 联系光学波长和微波 验物 金 频率的桥梁 理 委 5, 原子/离子存储光频标 - 下一代频率基准? 讲习员会 6, 结束语
验 金 7
127I2
R(127) 11 – 5，a16 (f)
473 612 353 604 (10) 632 991 212.579 (13) 2.1×10-11
物 8
40Ca
1S0 – 3P1, ∆mJ=0
455 986 240 494.150 (50) 657 459 439.291 67 (7) 1.1×10-13
国
数 家自 NIM 2006前频率-波长计量:
按方法c)推荐波长值实施米 定义的实验基础(1980-1999):
理学 然谐波光频链 科 (NIM 1996放弃)
部实验学基 NIM守时钟组
频率基准 - 谐波光频链 - 标定 波长(E-(10~12) )
按方法c), 波长标准具有独立 基准量的性质(稳定度,复现性 ,准确度E-10 - E-12).
第一个自然基准量定义 (1983)
班
国
家1983国际计量委员会(CIPM)(CI-1983): 数 自 米应当以如下方法之一实现:
理学 然 a) 直接复现: l=c0t, c0=299,792,458m/s, 直接测量t, 科 如 测距仪使用的激光调制-比相法, 激光脉冲测时法和全球定位 部 系统GPS测距, 大于几km的长度; 实 学基 b) 间接复现: λ0=c0/f, 直接测量f, 验 金 如 频率基准 + 飞秒光梳 + c0; 物 委 c) 实际实施: (在λ0=c0/f标定的基础上)推荐13条真空波长值; 理 员 如 (频率基准 ＋ 谐波光频链 -) 127I2吸收室饱和吸收稳频的He讲习 会 Ne激光推荐真空波长 λ0=632 991 212.579 (2.1E-11)。
1H
5s2 1S0 – 5百度文库5p 3P0 1S – 2S 双光子跃迁
1 267 402 452 899.92 (46) 236 540 853.549 75 (9) 4×10-13 1 233 030 706 593.55(25) 243 134 624.626 04 (5) 2×10-13
学 科 3
通讯; 网络; 运输; 资源;
.
科学研究: 相对论;
天文; 物理;
.
导航: GPS,北斗
地面站 中心站
基准
重力 .
.
.
班
国
家Those who know GPS will tell you that it is really a time comparison 数 system that can do navigation. 懂GPS的人会告诉你, GPS本质上是
理 委 9
88Sr+
5 2S1/2 – 4 2D5/2
444 779 044 095.5 (4) 674 025 590.863 1 (5) 7.9×10-13
讲 员 10
85Rb
5 S1/2 (Fg=3) – 5 D5/2 (Fe=5) 双光子跃迁
385 285 142 375 (5)
778 105 421.23 (1) 1.3×10-11
2.7x10-15 1.1 x10-15 10-16
班
国 家--11995555英英国国NNPPLL第第一一台台磁磁选选态态铯铯原原子子束束钟钟
数 --NNIIMM33磁磁选选态态铯铯原原子子束束钟钟((11998811完完成成,,11998866改改造造)):: 理学自部然实科验学物基理金讲委习员会 不不确确定定度度33EE--1133.. 班
中心站
地面站 地面站
守时TA(k)
班
国
数 家自 时间频率基准-实验室型原子钟的发展:
理学 然科 Cs钟
1967 1977 1987 1997
2001 2007
部实 学 磁选态 10-11 ~ -12 10-12 10-13 1.4x10-14
验 基金 光抽运
10-14 7x10-15
物理讲委习员会 冷原子喷泉
国
数 家原子钟 - 振荡器: 理 自然振荡器 计数器 显示器
学部实科学基 振荡器 验物理金讲委习员会 原子
计数器 显示器
谐振
1
0
班
国 数理家学自部然实科验学物基理金讲委习员会
班 (法国LPTF)
国 数理家学自部然实科验学物基理金讲(N无委IM线习守电时处员):会
班
国
数 家NIM 微波 - 光学频率计量系统:
自 一个时间比较系统, 这个系统能导航。 Joe White from Naval Research 理Lab. USA, The role of time and frequency in GPS, UFFC2004 (Montreal) p22-23.
学部然实科验学物基理金讲委习员会 北斗二号:
PZT
腔镜
PBS
班
国 数理家学自部然实科验学物基理金讲委员 NIM的I127 稳频633nm He-Ne 激光
习 会 (1978-1998) 班 (量子处波长组)(不确定度 2E-11)
国 家NIM的I127 稳频
数 532nmNd:YAG 激光 理 自 (量子处光频组) 学部然实科验学物基理金讲委习员会 (不确定度 8.9E-12) (2005) 班
R(10), (0001)– (1000)
29 054 057 446.579 (20) 10 318 436 884.461 (7) 6.9×10-13
国
数 家自 633nm He-Ne 激光I127 饱和稳频原理
理学 然科 稳频器
部实验学基 激光增益管 I127 吸收室
探测器
物理金讲委习员会 腔镜
班
国
数理家自 米定义 然 • 1983 CGPM, 米(m): 学 科 - 真空中光在 1/ 299,792,458 秒(s)时间间隔传播的距离. 部 学 L = c0 t 实 - 将真空光速定义为普适常数: 验 基 c0 = 299 792 458 m/s. 物 金委 • 理论上, 米不再是独立定义量, 而从秒导出. 理讲习员会 随之, 光学波长也溯源到时间频率.
国 数 家自 • 国际单位制(SI)基本量:
理 然 - 长度: 米(m); 学 科 - 质量: 千克(kg); 部 学 - 时间: 秒(s); 实 基 - 电流: 安培(A), [QHR电阻(Ω) 和Josophson电 验 压(V)]; 金 - 温度: 开尔文(K); 物 委 - 发光强度: 坎德拉(cd); 理讲习员会 - 物质的量: 摩尔(mol). 班
习 会 11
13C2H2
P(16), (ν1+ν3)
194 369 569.4 (1) MHz
1 542 383 712 (1)
5.2×10-10
12
CH4
P(7),
ν3,
F (2) 2
88 376 181 600.18 (27)
班 3 392 231 397.327 (10) 3×10-12
13
OsO4
理学自部然科 守时钟组 学 TA(NIM) (3 Cs + 3 H) 实 (1.8E-14) 验 基金 GPS 物理 委 BIPM 讲习员会 TAI & UTC
时间频率发播:
- GPS (10ns) - TV (1E-11) - Tel. (10ms) - Internet (1s)
光学波长标准:
如: - 127I2 stabilized 532nm,633nm - 13C2H2 stabilized 1542nm
班
国
家NIM时间频率发播(无线电处): 数理 自 GPS共视:10ns
学部然实科验学物基金 守时TA(NIM)
TV(CCTV1付载波):10-12(?) 网络:1s (http://nimtime.nim.ac.cn)
理讲委习员会 电话:10ms (http://nimtime.nim.ac.cn;64229086)
班
国 数 家自 秒定义
理 然 • 秒(s) - SI 七个基本量中最重要, 应用最广, 准确 学 科 度最高. 部 学 - 1952 国际天文联盟(IAU): 天文秒; 实验 基 - 1967 CGPM, 原子秒(s): 物 金 133Cs 基态两超精细结构能级跃迁对应辐射 委 9,192,631,770 个周期的时间. 理 员 (1) 海平面; 讲习 会 (2) 无干扰的 (undisturbed) （2006）. 班
国
1995: 激光冷却 -原子喷泉钟
数 家法国LPTF的A.Clairon组 自 冷原子喷泉不确定度E-15
班
国
家• 应用: 实验室基准钟
数理 自然商品守时钟组TA(NIM) 学部 科学 TA(NIM)时间/频率发播: TV, GPS, 电话, 网络
实验 基金 计量: 物 委 长度(m): 理 <L> = c t (1983); 员 电压(V): 讲习 会 V = n (f h / 2e) (1990);
国 数理家自 1, 前言: 从米到秒
学 然科 2, 激光波长标准: 实际实施米定义 部 学 3, 冷原子喷泉钟: 实现秒定义 实 基 4, 飞秒光学频率梳: 复现米定义 -- 联系光学波长和微波 验物 金 频率的桥梁 理 委 5, 原子/离子存储光频标 - 下一代频率基准? 讲习员会 6, 结束语
国 数 家自 从长度单位米到时间单位秒:
理学 然 NIM的稳频激光 - 铯喷泉钟 - 飞秒光梳 - 光钟 部实科验学物基金委 中国计量科学研究院 (NIM) 理 李天初 讲习员会 2007,5 班
国 数理家自 1, 前言: 从米到秒
学 然科 2, 激光波长标准: 实际实施米定义 部 学 3, 冷原子喷泉钟: 实现秒定义 实 基 4, 飞秒光学频率梳: 实现米定义 -- 联系光学波长和微波 验物 金 频率的桥梁 理 委 5, 原子/离子存储光频标 - 下一代频率基准? 讲习员会 6, 结束语
开放 的定义和复现 (1983)
班
国
家谐谐波波光光学学频频率率--微微波波频频率率链链::依依照照cc))方方法法复复现现米米定定义义 数理学自部然实科验学物基理金讲委习员会 跨越E4频率！
(德国PTB)
班
国 数理家学自部然实科验学物基理金讲委习员会
班 (法国LPTF)
国
家按第c)吸收室方法实际实施长度单位米: 数理 自 频率标准
班
国 数 家自 自20世纪中
理 然 实物基准 自然基准(粒子、粒子体系的量 学 科 子力学性质): 部实 学 ∆E = h f 基 式中∆E:能量差; h:普朗克常数; f:电磁波频率. 验物 金 量子理论: 粒子的能级结构与宏观参数(如形状、 委 体积、质量等)无明显关系 理讲 员 - 单位稳定性和准确度, 习 会 - 复现客观性和独立性。 班
199Hg+ 5d106s 2S1/2 (F=0) – 5d96s2 2D5/2 (F=2)， ∆mF =10 064 721 609 899.143(20) 281 568 867.591 97 (5) 1.9×10-14
部 4
171Yb+ 6s 2S1/2 (F=0, mF=0) – 5d 2D3/2 (F=2, mF=0) 688 358 979 309.312(20) 435 517 610.739 69 (1) 2.9×10-14