光学频率梳技术与应用的 20 年发展回顾与展望
中科院物理所2020-02-12 21:36
图片来源 iStock/yuyanga
撰文 | J.Z.
近期，两位NIST的学者，Tara Fortier和Esther Baumann在Nature旗下的《Communications Physics》对光学频率梳技术的原理，技术实现，应用和未来发展趋势进行了全面讨论。
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01 历史背景
光学频率梳的产生于人们对更加准确的时间基准和在此基础上的高精密测量技术的追求。国际标准时间单位定义基于微波铯原子钟。其定义铯原子两个超精细能级间跃迁辐射9192631770次震荡所持续的时间为1秒。相比于微波原子钟，原子内对应于光学频率的跃迁可以作为比微波原子钟精度高出100倍的时间基准。
由于光波段和微波段巨大的频率差，传统方法需要大量多级振荡器链接起光波段频率与铯原子钟来实现光波段精密测量。基于锁模激光器的光学频率梳的出现使得仅使用单一系统既可快速简易的搭建起光学频率波段和微波频率波段之间的转换，使得微波时序信号得以直接从光学原子钟获取。
由于其产生过程涉及到非线性光学效应，光学频率梳可以进一步扩展到其他不同波段，其光谱覆盖范围可以从近红外波段一直到极紫外波段。因而光学频率梳的应用扩展到了许多不同的领域，诸如阿秒脉冲的产生，基于分子特征谱的气体探测，精密测距，分子光谱校正，以及光通信和精密测距。
02 光学频率梳基本原理
光学频率梳可简单理解为频率和相位稳定的锁模激光器。锁模激光器产生周期性的激光脉冲串。时间域内的周期性的激光脉冲序列转换到频率空间里，则可表示为包含了等间隔频率的光谱。该光谱的整体强度由激光秒冲的包络调节。因而在频率域其类似一把光学尺子，最小刻度等于锁模激光的重复频率frep（周期的倒数。尺子起点与零频之间有一定的差值f0 。这个差值由激光脉冲的载波和包络之间的相对相位来直接决定。因而，简单的描述光学频率可将其第N个频率VN表示为重复频率frep和f0之和：
实际的锁模激光器的参数由于外界噪音干扰和激光本身功率不稳定等诸多因素是时刻在变化的。通过对激光腔长和内部介质的色散负反馈调节可以稳定住frep和f0从而得到稳定的光学频率梳。其中对frep的测量相对容易可以直接通过光电器件完成，而f0的直接测量一直到光纤技术发展到足以通过超连续过程将光谱展宽一个倍频才得以实现。
图1 光学频率梳的基本原理
03 光学频率梳光源的不同实现方法
光学频率梳光源的实现主要有两大类：一是基于锁模激光器实现的光学频率梳；二是基于微谐振腔和半导体激光器技术等实现的小型化和芯片级光学频率梳。
3.1 基于锁模激光器的光学频率梳
常规的通过稳频锁模激光得到的光学频率梳根据其所用的增益介质不同，主要分为基于晶体的固态系统光学频率梳和基于光纤的光学频率梳两类。这两类常规系统可以覆盖的波长范围从400纳米到4微米。其中商业化最为成功的光学频率梳是基于掺铒光纤系统的光学频率梳。对于其他极端波段的光学频率梳，例如从中红外波段到太赫兹波段，一般通过基于非线性光学过程的光学参量振荡器或者差频法去实现，这类方法产生的光学频率梳可达到27微米波长。而对于波长短于400nm的极紫外波段，光学频率梳的产生主要是通过腔增强的激光脉冲与惰性气体作用产生高次谐波，这里技术可以将光学频率梳延伸至11纳米。未来基于锁模激光器的光学频率梳的发展主要集中于实现高性能的同时 降低系统的尺寸重量和功率。
3.2 小型化和芯片级光学频率梳
基于半导体激光器的光学频率梳代表性的系统是通过量子级联激光器和锁模的垂直腔半导体激光器产生光学频率梳。而基于微谐振腔系统的光学频率梳则是通过非线性光学的四波混频过程将单频泵浦光展宽为光学频率梳。这两类系统目前是唯一有希望真正实现芯片级集成化光学频率梳的技术，但是其尚不成熟仍然面临诸多技术挑战，尚处于进一步发展中。其未来发展方向主要是进一步与光波导和半导体激光器集成化去发展出亚瓦级高性能并易于大规模制造的产品来满足实际应用需要。除此之外，基于相位调制单频激光的电光频率梳和基于超连续谱产生的光学频率梳也是两类重要的小型化光学频率梳光源。
图2 光学频率梳光源近些年的发展趋势
04 光学频率梳的应用
光学频率梳的应用大致可划分为两类：
第一类应用是以高精度测量为主，对光学频率梳各项技术要求极为苛刻，一般需要通过以原子钟为基准来完成，主要在实验室内完成。例如在绝对频率测量的应用中，光学频率梳可以用来测量光学原子钟的跃迁频率。由此推进的光学原子钟技术已经可以比现有的微波原子钟拥有更高的频率/时间分辨率。并且传统的微波原子钟发展已经进入平台期，难以有大大的突破，而基于光学频率梳的光学原子钟技术依然有较大提升空间。此外，光学频率梳通过对不同地区光学时钟的对比和同步，帮助建立全球光学时钟网络以及协助实现不同地区物理事件时间上的同步，这将有助于高精度测量的完成。其他领域的应用中，光学频率梳也被用于超低噪音微波频率产生以及天文光谱图像校正等等。
第二类应用主要是商业化应用，这类应用主要需要对变化的环境的稳健性要高，而对于光学频率梳的稳定性精确度要求降低。例如光学频率梳应用于光学雷达测距中，其测距的分辨率已经远远超过了传统光源，在平均时间为60毫秒下已经达到10纳米精度。不足之处在于目前的光学频率梳系统相对复杂昂贵，在商业应用上的研究集中于推进简单小型化低成本的光学频率梳系统的发展。此外，由于光学频率梳的宽光谱，高空间相干性以及高频率分辨率的特性，其在基于双光梳系统的光谱学应用中也取得了极大成功。
图3 双光梳测距应用
05 光学频率梳的未来展望
光学频率梳未来发展主要集中在以下几个方面：
一是发展集成了便携式光学时钟的光学频率梳。这类光学频率梳将有助于建立新的全球时间基准。并且基于此类光学频率梳的洲际间的时间和频率转换将有助于获取高精度的测量大地水准面，从而促进基础物理的研究。
二是发展基于太空载体的光学频率梳。在太空运转的光学频率梳将有助于提高全球定位系统的精度以及促进大气光谱学的研究。同时基于太空载体的光学频率梳由于其低震动噪音的环境以及远离地球重力势能，将有助于实现精度超过10-19量级对基础物理量的测量实验。
三是发展新型量子光学频率梳。此类量子光学频率梳有助于解决非经典统计问题。
原标题：Nature - 通讯物理学（综述）：光学频率梳技术与应用的20年发展回顾与展望
来源：中国光学
编辑：Kun
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