光學頻率梳技術與應用的 20 年發展回顧與展望

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撰文 |J.Z.

近期，兩位NIST的學者，Tara Fortier和Esther Baumann在Nature旗下的《Communications Physics》對光學頻率梳技術的原理，技術實現，應用和未來發展趨勢進行了全面討論。

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歷史背景

光學頻率梳的產生於人們對更加準確的時間基準和在此基礎上的高精密測量技術的追求。國際標準時間單位定義基於微波銫原子鐘。其定義銫原子兩個超精細能級間躍遷輻射9192631770次震蕩所持續的時間為1秒。相比於微波原子鐘，原子內對應於光學頻率的躍遷可以作為比微波原子鐘精度高出100倍的時間基準。

由於光波段和微波段巨大的頻率差，傳統方法需要大量多級振蕩器連結起光波段頻率與銫原子鐘來實現光波段精密測量。基於鎖模雷射器的光學頻率梳的出現使得僅使用單一系統既可快速簡易的搭建起光學頻率波段和微波頻率波段之間的轉換，使得微波時序信號得以直接從光學原子鐘獲取。

由於其產生過程涉及到非線性光學效應，光學頻率梳可以進一步擴展到其他不同波段，其光譜覆蓋範圍可以從近紅外波段一直到極紫外波段。因而光學頻率梳的應用擴展到了許多不同的領域，諸如阿秒脈衝的產生，基於分子特徵譜的氣體探測，精密測距，分子光譜校正，以及光通信和精密測距。

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光學頻率梳基本原理

光學頻率梳可簡單理解為頻率和相位穩定的鎖模雷射器。鎖模雷射器產生周期性的雷射脈衝串。時間域內的周期性的雷射脈衝序列轉換到頻率空間裡，則可表示為包含了等間隔頻率的光譜。該光譜的整體強度由雷射秒衝的包絡調節。因而在頻率域其類似一把光學尺子，最小刻度等於鎖模雷射的重複頻率frep（周期的倒數。尺子起點與零頻之間有一定的差值f0 。這個差值由雷射脈衝的載波和包絡之間的相對相位來直接決定。因而，簡單的描述光學頻率可將其第N個頻率VN表示為重複頻率frep和f之和：

實際的鎖模雷射器的參數由於外界噪音幹擾和雷射本身功率不穩定等諸多因素是時刻在變化的。通過對雷射腔長和內部介質的色散負反饋調節可以穩定住frep和f從而得到穩定的光學頻率梳。其中對frep的測量相對容易可以直接通過光電器件完成，而f的直接測量一直到光纖技術發展到足以通過超連續過程將光譜展寬一個倍頻才得以實現。

圖1 光學頻率梳的基本原理

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光學頻率梳光源的不同實現方法

光學頻率梳光源的實現主要有兩大類：一是基於鎖模雷射器實現的光學頻率梳；二是基於微諧振腔和半導體雷射器技術等實現的小型化和晶片級光學頻率梳。

3.1 基於鎖模雷射器的光學頻率梳

常規的通過穩頻鎖模雷射得到的光學頻率梳根據其所用的增益介質不同，主要分為基於晶體的固態系統光學頻率梳和基於光纖的光學頻率梳兩類。這兩類常規系統可以覆蓋的波長範圍從400納米到4微米。其中商業化最為成功的光學頻率梳是基於摻鉺光纖系統的光學頻率梳。對於其他極端波段的光學頻率梳，例如從中紅外波段到太赫茲波段，一般通過基於非線性光學過程的光學參量振蕩器或者差頻法去實現，這類方法產生的光學頻率梳可達到27微米波長。而對于波長短於400nm的極紫外波段，光學頻率梳的產生主要是通過腔增強的雷射脈衝與惰性氣體作用產生高次諧波，這裡技術可以將光學頻率梳延伸至11納米。未來基於鎖模雷射器的光學頻率梳的發展主要集中於實現高性能的同時 降低系統的尺寸重量和功率。

3.2 小型化和晶片級光學頻率梳

基於半導體雷射器的光學頻率梳代表性的系統是通過量子級聯雷射器和鎖模的垂直腔半導體雷射器產生光學頻率梳。而基於微諧振腔系統的光學頻率梳則是通過非線性光學的四波混頻過程將單頻泵浦光展寬為光學頻率梳。這兩類系統目前是唯一有希望真正實現晶片級集成化光學頻率梳的技術，但是其尚不成熟仍然面臨諸多技術挑戰，尚處於進一步發展中。其未來發展方向主要是進一步與光波導和半導體雷射器集成化去發展出亞瓦級高性能並易於大規模製造的產品來滿足實際應用需要。除此之外，基於相位調製單頻雷射的電光頻率梳和基於超連續譜產生的光學頻率梳也是兩類重要的小型化光學頻率梳光源。

圖2 光學頻率梳光源近些年的發展趨勢

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光學頻率梳的應用

光學頻率梳的應用大致可劃分為兩類：

第一類應用是以高精度測量為主，對光學頻率梳各項技術要求極為苛刻，一般需要通過以原子鐘為基準來完成，主要在實驗室內完成。例如在絕對頻率測量的應用中，光學頻率梳可以用來測量光學原子鐘的躍遷頻率。由此推進的光學原子鐘技術已經可以比現有的微波原子鐘擁有更高的頻率/時間解析度。並且傳統的微波原子鐘發展已經進入平臺期，難以有大大的突破，而基於光學頻率梳的光學原子鐘技術依然有較大提升空間。此外，光學頻率梳通過對不同地區光學時鐘的對比和同步，幫助建立全球光學時鐘網絡以及協助實現不同地區物理事件時間上的同步，這將有助於高精度測量的完成。其他領域的應用中，光學頻率梳也被用於超低噪音微波頻率產生以及天文光譜圖像校正等等。

第二類應用主要是商業化應用，這類應用主要需要對變化的環境的穩健性要高，而對於光學頻率梳的穩定性精確度要求降低。例如光學頻率梳應用於光學雷達測距中，其測距的解析度已經遠遠超過了傳統光源，在平均時間為60毫秒下已經達到10納米精度。不足之處在於目前的光學頻率梳系統相對複雜昂貴，在商業應用上的研究集中於推進簡單小型化低成本的光學頻率梳系統的發展。此外，由於光學頻率梳的寬光譜，高空間相干性以及高頻率解析度的特性，其在基於雙光梳系統的光譜學應用中也取得了極大成功。

圖3雙光梳測距應用

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光學頻率梳的未來展望

光學頻率梳未來發展主要集中在以下幾個方面：

一是發展集成了可攜式光學時鐘的光學頻率梳。這類光學頻率梳將有助於建立新的全球時間基準。並且基於此類光學頻率梳的洲際間的時間和頻率轉換將有助於獲取高精度的測量大地水準面，從而促進基礎物理的研究。

二是發展基於太空載體的光學頻率梳。在太空運轉的光學頻率梳將有助於提高全球定位系統的精度以及促進大氣光譜學的研究。同時基於太空載體的光學頻率梳由於其低震動噪音的環境以及遠離地球重力勢能，將有助於實現精度超過10-19量級對基礎物理量的測量實驗。

三是發展新型量子光學頻率梳。此類量子光學頻率梳有助於解決非經典統計問題。

原標題：Nature - 通訊物理學（綜述）：光學頻率梳技術與應用的20年發展回顧與展望

來源：中國光學

編輯：Kun