飛秒激光光學(xué)頻率梳,簡(jiǎn)稱(chēng)飛秒光梳,是一種脈沖間隔在飛秒級(jí)別的脈沖光。它在時(shí)域上表現(xiàn)為一系列時(shí)間寬度在飛秒級(jí)別的超短脈沖;在頻域上表現(xiàn)為一系列等頻間隔、位置固定、且具有極寬光譜范圍的單色譜線。

外文名

FemtosecondOptical Frequency Comb(FOFC)

本質(zhì)

飛秒激光

特性

頻率穩(wěn)定性,可溯源至?xí)r間標(biāo)準(zhǔn)

簡(jiǎn)稱(chēng)

飛秒光梳

定義

飛秒光梳是一種特殊的飛秒脈沖光,它在時(shí)域上是一系列時(shí)間寬度在飛秒級(jí)別的超短脈沖,在頻域上是一系列等頻間隔、位置固定、且具有極寬光譜范圍的單色譜線。這種光譜的形狀就像一把“梳狀尺”,因此被稱(chēng)作“飛秒光梳”。飛秒光梳實(shí)現(xiàn)了其頻率覆蓋范圍內(nèi)的所有波長(zhǎng)直接鎖定和溯源至微波頻率基準(zhǔn),建立起了光波頻率和微波頻率的直接聯(lián)系,并且使得米的定義可以在常規(guī)的計(jì)量條件下得以復(fù)現(xiàn)。

發(fā)展

飛秒激光光學(xué)頻率梳

2005年,三名科學(xué)家由于在與光學(xué)相關(guān)的研究領(lǐng)域所做出的杰出成就而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的殊榮,其中美國(guó)哈佛大學(xué)的格勞伯教授因?qū)Α肮庀喔尚缘牧孔永碚摗钡呢暙I(xiàn)而分享該獎(jiǎng)的一半,另一半由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的霍爾(J.L.Hall)教授和德國(guó)馬普量子光學(xué)所的亨施(T.W.H?nsch)教授共同獲得,以獎(jiǎng)勵(lì)他倆對(duì)“超精細(xì)激光光譜學(xué),包括光學(xué)頻率梳技術(shù)”的貢獻(xiàn)。

1978年,美國(guó)斯坦福大學(xué)的德國(guó)科學(xué)家T. H?nsch首先提出了“飛秒激光光學(xué)頻率”的概念,并提出使用超短脈沖激光作為連接微波頻率和光波頻率的橋梁的想法。

1999年,德國(guó)馬普(Max-Planck)實(shí)驗(yàn)室的T. H?nsch等人,實(shí)現(xiàn)了光波頻率和微波頻率相連,實(shí)現(xiàn)了基于光子晶體光纖F-to-2F自參考鎖模的飛秒光梳,并實(shí)現(xiàn)了銫原子D1譜線的頻率測(cè)量。

性質(zhì)

飛秒激光光學(xué)頻率梳

飛秒光梳是由鎖模激光器產(chǎn)生,時(shí)域上表現(xiàn)為一系列時(shí)間寬度在飛秒級(jí)別的脈沖;頻域上表現(xiàn)為一系列等頻間隔、位置固定、具有極寬光譜范圍的單色譜線(縱模)。設(shè)時(shí)域上真空中兩個(gè)相鄰脈沖的間距為l,則脈沖重復(fù)頻率f和脈沖間距之間的關(guān)系可以表示為f=c/l,其中c是真空中的光速;頻域上設(shè)譜線的重復(fù)周期為T(mén),則重復(fù)頻率與重復(fù)周期為反比關(guān)系f=1/T。

飛秒激光光學(xué)頻率梳

相移特性:

對(duì)于飛秒級(jí)別的超短脈沖激光而言,在每個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)載波波長(zhǎng)的激光所能震蕩的時(shí)間非常短,不足幾個(gè)光周期,且由于空氣介質(zhì)(或其他色散介質(zhì))的存在,飛秒光梳的群速度和相速度之 間會(huì)產(chǎn)生差異,因此載波與脈沖包絡(luò)之間的相位關(guān)系會(huì)發(fā)生變化。激光在激光器的腔內(nèi)每振蕩一次,其載波(carrier)和脈沖包絡(luò)(envelope)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相位偏移延遲Δφ這種時(shí)域上的相位偏移現(xiàn)象在頻域里表現(xiàn)為所有縱模分量都沿著頻率軸移動(dòng)一個(gè)偏移頻率,該頻率也稱(chēng)初始偏移頻率或零頻率f。

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。

化學(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)生的特定波形的激光,有望將雷達(dá)的靈敏度和探測(cè)范圍提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

秒的新定義

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。