光学频率梳的研究进展和应用

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1、一108—2008全国频率控制技术年会论文集光学频率梳的研究进展和应用魏志义张炜韩海年中国科学院物理研究所计量高技术联合实验室，北京，100190摘要本文简要回顾了光学频率梳的发展过程，介绍了目前被各国主要实验室广泛采用的几类不同光学频率梳的原理及主要应用。1引言自激光诞生之日起，人们就认识到由于光学频率远远高于微波频率，因此在原理上工作在光学波段的频率标准可以达到10-协量级的精密，采用这样高精度的频率标准测量不同的频率对象，可以促使人们对自然界认知水平质的提高。光学频率梳正是在这样的需求背景及人类对准确度不断追求的激情之下，作为连接微波频率标准【lj与光学频率标准的

2、核心技术[21而发展起来的。光学频率梳的出现可以说是超快光学与精密光谱学完美结合的产物。早在上世纪70年代，德国科学家T．W．Hansch等人就提出了连接微波频标与光学频标的问题131，随着飞秒激光技术的快速发展，他们通过超短脉冲激光与精密光谱学两个不同研究方面的交叉，率先利用克尔透镜效应产生的锁模飞秒脉冲激光的重复频率作为光学频率梳的梳齿间隔，证明了相对误差小于6×10。s的精度同。紧接着他们利用光学频率梳测量了氢原子1S一2S双光子共振跃迁频率，得到了不确定度达1．9x10-H的实验结果[71，将以往的最好水平提高了一个量级。但是上述实验中所使用的光学频率梳是锁定到

3、所谓光学分频器OFID(OpticalFrequencyIntervalDivider)上的结果，并未锁定关键的飞秒脉冲载波包络相移(CarrierEnvelopePhaseOffset，CEO)嘲，因此采用这种方法锁定的光梳又被称为3．5F一4F光梳。虽然这种光梳提供的可测光频范围仅为0．5F(约40THz)，且结构相对复杂，但第一次体现了超短脉冲激光技术与精密光谱学的结合，确是光学频率梳发展中的重要一步。至此，基于飞秒脉冲激光的光学频率梳研究及在精密光谱学的应用开始成为光学领域的一个热点研究内容。’2000年，光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,

4、PCF)p-nl的出现为光学频率梳的实用化发展及应用提供了里程碑式的重要突破，美国科罗拉多John．Hall教授的研究小组利用贝尔实验室提供的PCF，将钛宝石飞秒激光输出的激光光谱展宽至一个倍频程后，进而通过所谓F—to一2F的自参考技术(有关此方法的详细见下文)，首先测量并控制了飞秒激光脉冲的CEO，并建成了第一台基于自参考技术的光学频率梳【协。随后，德国T．w．Hansch教授的研究小组利用英国Bath大学Russell教授研究组的PCF，也建成了一台采用类似方案的光学频率梳[131。与3．5F_4F光梳相比，基于PCF的F—to-2F自参考光学频率梳具有台面化、易

5、操作等优点，并真正成为测量光学频率的实用工具。正是由于不同国家的科学家们多年的共同努力，光学频率梳从一个梦想变成了引导精密测量革命性进展的基石，并在短短几年内成功地测量了许多标准光学频率【州日，其核心的CEO锁定技术在超短脉冲的发展和其它应用研究方面也起着重要的作用【17。1910到目前为止，按梳状频域信号发生装置的不同，光学频率梳的发展可分为如下几类：基于钛宝石锁模飞秒脉冲激光的可见光及近红外波段光频梳；基于掺铒光纤飞秒激光器的红外波段光频梳；基于腔外共振增强腔的紫外光频梳；以及基于微腔激光器的光频梳。下面我们就上述几类光学频率梳分别加以介绍。2基于飞秒钛宝石激光的光

6、学频率梳光学频率梳最早是在飞秒钛宝石激光器上实现的旧，也是目前技术最为成熟、应用最为广泛的光学频率梳系统阎。为了在后面的叙述中不产生歧义，这里首先简要介绍一下何谓F—to一2F自参考方法。型!全旦塑兰堑塑茎查兰金塑生=!塑=目1宽带激光光谱中的纵横Ⅱ自●考的原理目对于一个脉冲极短的飞秒激光脉冲，根据傅立叶关系，其必然对应着很宽的光谱．这样也就存在着大量的纵模．如罔1所示，两个相邻纵模之问的间隔等于激光的重复频率名。设纵模的漂移量为止．那么激光光谱中低频部分的频率可以表示为一=，靠t‘，高频部分可以表示为止n厶％，如果光谱的带宽大干一十倍频程，即可满gA=2f,：，那么通

7、过拍频测量．根据强ih2协t{。+

8、n舯、一“hi"=2(nffq}f。I一2nsf∞

9、。；f。的关系，也就得到了纵模漂移名，也就是说，如果光谱满足大于一个倍频程的条件，皆可以通过光谱内部高低频之间的拍频直接得到，唧信号，这就是光梳技术中非常重要的■卜甜自参考原理。可以看出．实现自参考技术的关键是要有大于一个倍频程的宽带光谱，由于常规基于棱镜色散补偿的飞秒钛宝石锁模激光的光谱远不到这样的带宽，因此JohnHall和twH明scll等人先后借助PCF，通过有效晨宽飞秒钛宝石激光的光谱．并结合MZ下涉装置，实现了}to_甜自参考方法对r蛐信号