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撰文 | J.Z.

    近期，兩位NIST的學(xué)者，Tara Fortier和 Esther Baumann在Nature旗下的《Communications Physics》對(duì)光學(xué)頻率梳技術(shù)的原理，技術(shù)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用和未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了全面討論。

01 歷史背景

  光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生于人們對(duì)更加準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)和在此基礎(chǔ)上的高精密測(cè)量技術(shù)的追求。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間單位定義基于微波銫原子鐘。其定義銫原子兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷輻射9192631770次震蕩所持續(xù)的時(shí)間為1秒。相比于微波原子鐘，原子內(nèi)對(duì)應(yīng)于光學(xué)頻率的躍遷可以作為比微波原子鐘精度高出100倍的時(shí)間基準(zhǔn)。

  由于光波段和微波段巨大的頻率差，傳統(tǒng)方法需要大量多級(jí)振蕩器鏈接起光波段頻率與銫原子鐘來實(shí)現(xiàn)光波段精密測(cè)量?；阪i模激光器的光學(xué)頻率梳的出現(xiàn)使得僅使用單一系統(tǒng)既可快速簡(jiǎn)易的搭建起光學(xué)頻率波段和微波頻率波段之間的轉(zhuǎn)換，使得微波時(shí)序信號(hào)得以直接從光學(xué)原子鐘獲取。

由于其產(chǎn)生過程涉及到非線性光學(xué)效應(yīng)，光學(xué)頻率梳可以進(jìn)一步擴(kuò)展到其他不同波段，其光譜覆蓋范圍可以從近紅外波段一直到極紫外波段。因而光學(xué)頻率梳的應(yīng)用擴(kuò)展到了許多不同的領(lǐng)域，諸如阿秒脈沖的產(chǎn)生，基于分子特征譜的氣體探測(cè)，精密測(cè)距，分子光譜校正，以及光通信和精密測(cè)距。

02 光學(xué)頻率梳基本原理

  光學(xué)頻率梳可簡(jiǎn)單理解為頻率和相位穩(wěn)定的鎖模激光器。鎖模激光器產(chǎn)生周期性的激光脈沖串。時(shí)間域內(nèi)的周期性的激光脈沖序列轉(zhuǎn)換到頻率空間里，則可表示為包含了等間隔頻率的光譜。該光譜的整體強(qiáng)度由激光秒沖的包絡(luò)調(diào)節(jié)。因而在頻率域其類似一把光學(xué)尺子，最小刻度等于鎖模激光的重復(fù)頻率f_rep（周期的倒數(shù)。尺子起點(diǎn)與零頻之間有一定的差值f₀ 。這個(gè)差值由激光脈沖的載波和包絡(luò)之間的相對(duì)相位來直接決定。因而，簡(jiǎn)單的描述光學(xué)頻率可將其第N個(gè)頻率V_N表示為重復(fù)頻率f_rep和f₀之和：

  實(shí)際的鎖模激光器的參數(shù)由于外界噪音干擾和激光本身功率不穩(wěn)定等諸多因素是時(shí)刻在變化的。通過對(duì)激光腔長(zhǎng)和內(nèi)部介質(zhì)的色散負(fù)反饋調(diào)節(jié)可以穩(wěn)定住frep和f0從而得到穩(wěn)定的光學(xué)頻率梳。其中對(duì)frep的測(cè)量相對(duì)容易可以直接通過光電器件完成，而f0的直接測(cè)量一直到光纖技術(shù)發(fā)展到足以通過超連續(xù)過程將光譜展寬一個(gè)倍頻才得以實(shí)現(xiàn)。

圖1 光學(xué)頻率梳的基本原理

  光學(xué)頻率梳光源的實(shí)現(xiàn)主要有兩大類：一是基于鎖模激光器實(shí)現(xiàn)的光學(xué)頻率梳；二是基于微諧振腔和半導(dǎo)體激光器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)的小型化和芯片級(jí)光學(xué)頻率梳。

3.1 基于鎖模激光器的光學(xué)頻率梳

  常規(guī)的通過穩(wěn)頻鎖模激光得到的光學(xué)頻率梳根據(jù)其所用的增益介質(zhì)不同，主要分為基于晶體的固態(tài)系統(tǒng)光學(xué)頻率梳和基于光纖的光學(xué)頻率梳兩類。這兩類常規(guī)系統(tǒng)可以覆蓋的波長(zhǎng)范圍從400納米到4微米。其中商業(yè)化最為成功的光學(xué)頻率梳是基于摻鉺光纖系統(tǒng)的光學(xué)頻率梳。對(duì)于其他極端波段的光學(xué)頻率梳，例如從中紅外波段到太赫茲波段，一般通過基于非線性光學(xué)過程的光學(xué)參量振蕩器或者差頻法去實(shí)現(xiàn)，這類方法產(chǎn)生的光學(xué)頻率梳可達(dá)到27微米波長(zhǎng)。而對(duì)于波長(zhǎng)短于400nm的極紫外波段，光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生主要是通過腔增強(qiáng)的激光脈沖與惰性氣體作用產(chǎn)生高次諧波，這里技術(shù)可以將光學(xué)頻率梳延伸至11納米。未來基于鎖模激光器的光學(xué)頻率梳的發(fā)展主要集中于實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí) 降低系統(tǒng)的尺寸重量和功率。

3.2 小型化和芯片級(jí)光學(xué)頻率梳

  基于半導(dǎo)體激光器的光學(xué)頻率梳代表性的系統(tǒng)是通過量子級(jí)聯(lián)激光器和鎖模的垂直腔半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生光學(xué)頻率梳。而基于微諧振腔系統(tǒng)的光學(xué)頻率梳則是通過非線性光學(xué)的四波混頻過程將單頻泵浦光展寬為光學(xué)頻率梳。這兩類系統(tǒng)目前是唯一有希望真正實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)集成化光學(xué)頻率梳的技術(shù)，但是其尚不成熟仍然面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，尚處于進(jìn)一步發(fā)展中。其未來發(fā)展方向主要是進(jìn)一步與光波導(dǎo)和半導(dǎo)體激光器集成化去發(fā)展出亞瓦級(jí)高性能并易于大規(guī)模制造的產(chǎn)品來滿足實(shí)際應(yīng)用需要。除此之外，基于相位調(diào)制單頻激光的電光頻率梳和基于超連續(xù)譜產(chǎn)生的光學(xué)頻率梳也是兩類重要的小型化光學(xué)頻率梳光源。

圖2 光學(xué)頻率梳光源近些年的發(fā)展趨勢(shì)

  光學(xué)頻率梳的應(yīng)用大致可劃分為兩類：

  第一類應(yīng)用是以高精度測(cè)量為主，對(duì)光學(xué)頻率梳各項(xiàng)技術(shù)要求極為苛刻，一般需要通過以原子鐘為基準(zhǔn)來完成，主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。例如在絕對(duì)頻率測(cè)量的應(yīng)用中，光學(xué)頻率梳可以用來測(cè)量光學(xué)原子鐘的躍遷頻率。由此推進(jìn)的光學(xué)原子鐘技術(shù)已經(jīng)可以比現(xiàn)有的微波原子鐘擁有更高的頻率/時(shí)間分辨率。并且傳統(tǒng)的微波原子鐘發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入平臺(tái)期，難以有大大的突破，而基于光學(xué)頻率梳的光學(xué)原子鐘技術(shù)依然有較大提升空間。此外，光學(xué)頻率梳通過對(duì)不同地區(qū)光學(xué)時(shí)鐘的對(duì)比和同步，幫助建立全球光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)以及協(xié)助實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)物理事件時(shí)間上的同步，這將有助于高精度測(cè)量的完成。其他領(lǐng)域的應(yīng)用中，光學(xué)頻率梳也被用于超低噪音微波頻率產(chǎn)生以及天文光譜圖像校正等等。

  第二類應(yīng)用主要是商業(yè)化應(yīng)用，這類應(yīng)用主要需要對(duì)變化的環(huán)境的穩(wěn)健性要高，而對(duì)于光學(xué)頻率梳的穩(wěn)定性精確度要求降低。例如光學(xué)頻率梳應(yīng)用于光學(xué)雷達(dá)測(cè)距中，其測(cè)距的分辨率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)光源，在平均時(shí)間為60毫秒下已經(jīng)達(dá)到10納米精度。不足之處在于目前的光學(xué)頻率梳系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜昂貴，在商業(yè)應(yīng)用上的研究集中于推進(jìn)簡(jiǎn)單小型化低成本的光學(xué)頻率梳系統(tǒng)的發(fā)展。此外，由于光學(xué)頻率梳的寬光譜，高空間相干性以及高頻率分辨率的特性，其在基于雙光梳系統(tǒng)的光譜學(xué)應(yīng)用中也取得了極大成功。

圖3 雙光梳測(cè)距應(yīng)用

  光學(xué)頻率梳未來發(fā)展主要集中在以下幾個(gè)方面：

  一是發(fā)展集成了便攜式光學(xué)時(shí)鐘的光學(xué)頻率梳。這類光學(xué)頻率梳將有助于建立新的全球時(shí)間基準(zhǔn)。并且基于此類光學(xué)頻率梳的洲際間的時(shí)間和頻率轉(zhuǎn)換將有助于獲取高精度的測(cè)量大地水準(zhǔn)面，從而促進(jìn)基礎(chǔ)物理的研究。

  二是發(fā)展基于太空載體的光學(xué)頻率梳。在太空運(yùn)轉(zhuǎn)的光學(xué)頻率梳將有助于提高全球定位系統(tǒng)的精度以及促進(jìn)大氣光譜學(xué)的研究。同時(shí)基于太空載體的光學(xué)頻率梳由于其低震動(dòng)噪音的環(huán)境以及遠(yuǎn)離地球重力勢(shì)能，將有助于實(shí)現(xiàn)精度超過10-19量級(jí)對(duì)基礎(chǔ)物理量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

  三是發(fā)展新型量子光學(xué)頻率梳。此類量子光學(xué)頻率梳有助于解決非經(jīng)典統(tǒng)計(jì)問題。

原標(biāo)題：Nature - 通訊物理學(xué)（綜述）：光學(xué)頻率梳技術(shù)與應(yīng)用的20年發(fā)展回顧與展望

來源：中國(guó)光學(xué)

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