(完整版)光頻梳

OpticalFrequencyComb

OFC

(光頻梳)

科學(xué)家追求更精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，一種稱(chēng)為「光頻梳」的新型激光出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了這個(gè)可能。

簡(jiǎn)單來(lái)講，光頻梳就是利用鎖模激光產(chǎn)生超短光脈沖，特色是相鄰脈沖波時(shí)間間隔一模一樣，清大物理系教授施宙聰表示，光頻梳就像是一把擁有精密刻度的尺或定時(shí)器，只不過(guò)一般的儀器以毫米、毫秒為單位，而光頻梳在長(zhǎng)度的測(cè)量上精確勝過(guò)奈米，時(shí)間則勝過(guò)飛秒、甚至達(dá)到阿秒。2023/9/1432005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)由美、德三個(gè)科學(xué)家共同獲得，分享共約130萬(wàn)美元1、美國(guó)人：約翰·霍爾，羅伊·格勞伯2、德國(guó)人：特奧多爾·亨施●羅伊·格勞伯得一半，成就是對(duì)“光粒子的特性進(jìn)行了理論描述——光學(xué)相干的量子理論”●約翰·霍爾，特奧多爾·亨施得另外一半，成就是對(duì)“開(kāi)發(fā)了基于激光的高精度光譜技術(shù)，即以極高的精度確定原子和分子的光線顏色——光頻梳技術(shù)，其以15位的精確度來(lái)衡量光頻率成為可能；”●他們成就“可以構(gòu)建非常鮮艷色彩（單色）的激光，可以開(kāi)發(fā)高精度的時(shí)鐘，可以改進(jìn)全球定位系統(tǒng)”。3、瑞典國(guó)王于10月10日在斯德哥爾摩頒獎(jiǎng)。4、諾貝爾的遺囑：給人類(lèi)帶來(lái)最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中取得過(guò)最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明。2007/12/074“Fortheircontributionstothedevelopmentoflaser-basedprecisionspectroscopy,includingtheopticalfrequencycombtechnique”J.L.Hall,K.T.Udem,R.DreverandT.W.HanschSummer2005主要內(nèi)容認(rèn)識(shí)光頻梳光頻梳的結(jié)構(gòu)和工作原理幾種常見(jiàn)光頻梳光頻梳技術(shù)的價(jià)值及應(yīng)用

一.認(rèn)識(shí)光頻梳

梳子特點(diǎn)：離散的，等間距的光頻梳定義：光頻“梳”是一些離散的、等間距頻率的像梳子一樣的形狀的光譜。

λ=cfRuler在光學(xué)領(lǐng)域，光學(xué)頻率梳，就像一把“光尺”，使人類(lèi)能夠?qū)鈱W(xué)頻率實(shí)現(xiàn)及其精密的測(cè)量。

在直線上標(biāo)記一系列標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)度，比如毫米，就可以用來(lái)測(cè)量其它物體的長(zhǎng)度，如果尺上這些標(biāo)準(zhǔn)間隔代表的不是距離，而是頻率，每一點(diǎn)都代表不同的頻率值，那么就可以用這把尺子來(lái)測(cè)量頻率。光（或電磁波）中有各個(gè)不同的頻率分量（不同顏色的光的振蕩頻率都不同），每一分量都有固定的頻率，如果把這些分量都標(biāo)記到一把“尺”上，就可以測(cè)量其它物體發(fā)出的光的頻率了！這就是所謂的“光學(xué)頻率梳”！二.光頻梳的結(jié)構(gòu)和工作原理

Ⅰ.光頻梳的結(jié)構(gòu)

光學(xué)頻率梳由“鎖模激光器”產(chǎn)生，是一種超短脈沖激光。超短光脈沖的載波由單一頻率的光構(gòu)成，這種光會(huì)在光譜上該頻率顯示為一條豎線，表示只存在該頻率的光波。在這里，鎖模激光器發(fā)射的光脈沖的兩個(gè)特征成為了研制光學(xué)頻率梳的關(guān)鍵。第一個(gè)特征是，包絡(luò)相對(duì)于載波發(fā)生微小位移，導(dǎo)致脈沖發(fā)生細(xì)微變化。脈沖包絡(luò)的峰值，可以和對(duì)應(yīng)的載波波峰同時(shí)出現(xiàn)，也可以偏移到載波的波峰同時(shí)出現(xiàn)，該偏移量被稱(chēng)為脈沖位相。第二個(gè)特征，鎖模激光器以重復(fù)頻率發(fā)射脈沖序列。這種脈沖序列光的頻譜不是以載波頻率為中心向兩邊連續(xù)延展，而是形成許多離散的頻率。這個(gè)頻譜分布很像梳齒，彼此間隔與激光器的重復(fù)頻率精確相等。但在通常情況下，前后兩個(gè)脈沖的位相會(huì)發(fā)生一些不可預(yù)知但卻固定不變的偏移，這時(shí)，梳齒的頻率會(huì)偏離重復(fù)頻率的整數(shù)倍，出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，使得梳齒頻率不可確定。隨著鈦寶石激光器的出現(xiàn)，德國(guó)馬普量子光學(xué)研究所的Theodor.W.Hansch利用新型激光器證明了輸出光梳輸出光譜兩端的光梳譜線具有確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得光梳真正的可以被作為“光尺”使用。

Ⅱ.光頻梳的工作原理1.光頻梳

光頻梳系統(tǒng)為頻域上產(chǎn)生等間隔光頻齒（combline）,其每一根光頻齒的頻率如下式表示：

其中，

frep為鎖模激光器激光脈沖的重復(fù)頻率，而δ為偏差頻率，n為整數(shù)。光頻梳最大的功能在于可將難以精確測(cè)量的未知光頻fu以下式表示：f

beat為fu和第n根光梳齒的拍頻，其必小于frep。2.脈沖重復(fù)率和偏差頻率

飛秒鎖模激光器的鎖模雷射在時(shí)域中的表現(xiàn)為周期為1∕frep的光脈沖序列，如圖（1）所示，實(shí)線表光脈沖序列的載波，而虛線表周期性脈沖的波包，ΔФ為脈沖波包與載波繞行共振腔一次所產(chǎn)生的相位差，其成因?yàn)樯⒃斐奢d波相速度和群速度的不一致。

（1）

激光脈沖序列時(shí)域場(chǎng)圖

分析此光脈沖序列，對(duì)其時(shí)域場(chǎng)進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換：?jiǎn)我幻}沖場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：（1）其中，E(t)表波包的振幅，表示頻率為的載波?；冢?）式，光脈沖序列可以下式表示：

（2）其中，τ=1∕frep為脈沖序列的周期。

對(duì)（2）式整理并作傅里葉轉(zhuǎn)換，

而鎖模雷射為各不同模能雷射的同相疊加，故各模能之間的相位差為2π的整數(shù)倍，取可推得（3）（3）式即為光頻梳上第n根光梳齒的數(shù)學(xué)表示式。圖（2）即為脈沖雷射的頻譜。

（2）激光脈沖序列頻域場(chǎng)圖3.自參考技術(shù)

“自參考”技術(shù)可以保證梳齒精確定位。由于飛秒雷射和光子晶體光線的發(fā)展，超連續(xù)光譜的展頻寬度可達(dá)八度音以上，因此可以使用簡(jiǎn)單的自參考技術(shù)來(lái)量測(cè)偏差頻率。在展頻達(dá)八度音的光譜中，取出低頻的信號(hào)（），并將其以非線性晶體倍頻得到（），再將其與超連續(xù)光譜中高頻部分（

）拍頻，取得拍頻信號(hào)（），此拍頻訊號(hào)即為偏差頻率，

如圖（3）所示。而此信號(hào)可由雪崩光偵檢器和頻譜分析儀量測(cè)得到。

（3）自參考偏差頻率量測(cè)示意圖三.幾種常見(jiàn)的光頻梳Ⅰ.基于飛秒鈦寶石激光的光學(xué)頻率梳Ⅱ.基于光纖飛秒激光器的光學(xué)頻率梳Ⅲ.基于腔外共振增強(qiáng)腔的紫外頻率梳Ⅳ.基于微腔激光器的新型光頻梳工業(yè)技術(shù)研究院的光頻梳測(cè)量設(shè)備基于光纖飛秒激光器的光學(xué)頻率梳Cost5000k$Cost400k$工研院量測(cè)中心彭錦龍博士基于飛秒鈦寶石激光的光學(xué)頻率梳四.光頻梳技術(shù)的應(yīng)用Ⅰ.基于光頻梳的秒的新定義標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ.光學(xué)頻率梳測(cè)量光的顏色和頻率Ⅲ.光梳技術(shù)其他的一些應(yīng)用

Ⅰ.基于光頻梳的秒的新定義標(biāo)準(zhǔn)

穩(wěn)定的光學(xué)頻率梳發(fā)明以后，精確測(cè)量連續(xù)波激光器的頻率就變得輕而易舉了。像倍頻鏈一樣，基于光梳的頻率測(cè)量仍然需要以銫鐘作為標(biāo)準(zhǔn)。首先，必須測(cè)量光梳的零點(diǎn)偏移頻率和光梳梳齒的頻率間隔。有了這兩個(gè)數(shù)據(jù)，我們就能計(jì)算出所有梳齒對(duì)應(yīng)的頻率。接下來(lái)，就要把待測(cè)激光與光梳的光混合在一起，測(cè)量激光與最接近它的梳齒產(chǎn)生的拍頻頻率，也就是兩者頻率差。這三個(gè)頻率都屬于微波頻段，可以用銫鐘非常精確的進(jìn)行測(cè)定。至此，光梳的這些優(yōu)點(diǎn)使得時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)從微波的向光學(xué)的轉(zhuǎn)變。Ⅱ.光學(xué)頻率梳測(cè)量光的顏色和頻率光頻梳技術(shù)，是基于激光的高精度光譜技術(shù)，即以極高的精度確定原子和分子的光線顏色，其以頻率成為可能；光頻技術(shù)的成就，可以構(gòu)建非常鮮艷色彩（單色）的激光，可以開(kāi)發(fā)高精度的時(shí)鐘，可以改進(jìn)全球定位系統(tǒng)。Ⅲ.光梳技術(shù)其他的一些應(yīng)用光學(xué)原子鐘光學(xué)原子鐘是迄今為止，人類(lèi)制造的最精確的時(shí)鐘，它的精度已經(jīng)超過(guò)了1967年來(lái)一直作為標(biāo)準(zhǔn)的微波原子鐘。光學(xué)原子鐘將在空間導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、基礎(chǔ)物理問(wèn)題的超高精度檢?；瘜W(xué)探測(cè)器研究人員已經(jīng)演示了利用光梳的超靈敏化學(xué)探測(cè)器，目前正在研制商業(yè)化儀器的樣機(jī)。這種探測(cè)器，能夠讓安檢人員更快捷的識(shí)別爆炸物及危險(xiǎn)病原體等有害物質(zhì)。醫(yī)生可以通過(guò)檢測(cè)病人呼出的氣體的化學(xué)成分來(lái)診斷疾病。超級(jí)激光器利用光學(xué)頻率梳，許多激光器輸出的激光脈沖可以合稱(chēng)為單束光脈沖序列。合成激光的相干性極好，就像是同一個(gè)激光器發(fā)出來(lái)的一樣。這種技術(shù)將來(lái)有望對(duì)從無(wú)線電波到X射線的電磁波譜實(shí)現(xiàn)相干控制。長(zhǎng)途通信使單根光纖傳輸?shù)男盘?hào)量增加好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所需的只是一把光梳，各通道之間的干擾也將減少，尤其是安全通信，將從光梳的運(yùn)用上獲得許多好處。激光雷達(dá)激光雷達(dá)用激光來(lái)測(cè)定遠(yuǎn)距離目標(biāo)的位置、速度和性質(zhì)。用光學(xué)頻率梳產(chǎn)生的特定波形