飛秒激光光學頻率梳，簡稱飛秒光梳，是一種脈沖間隔在飛秒級別的脈沖光。它在時域上表現為一系列時間寬度在飛秒級別的超短脈沖；在頻域上表現為一系列等頻間隔、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

飛秒激光

特性

頻率穩(wěn)定性，可溯源至時間標準

簡稱

飛秒光梳

定義

飛秒光梳是一種特殊的飛秒脈沖光，它在時域上是一系列時間寬度在飛秒級別的超短脈沖，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”，因此被稱作“飛秒光梳”。飛秒光梳實現了其頻率覆蓋范圍內的所有波長直接鎖定和溯源至微波頻率基準，建立起了光波頻率和微波頻率的直接聯系，并且使得米的定義可以在常規(guī)的計量條件下得以復現。

發(fā)展

飛秒激光光學頻率梳

2005年，三名科學家由于在與光學相關的研究領域所做出的杰出成就而獲諾貝爾物理學獎的殊榮，其中美國哈佛大學的格勞伯教授因對“光相干性的量子理論”的貢獻而分享該獎的一半，另一半由美國國家標準技術研究院的霍爾(J.L.Hall)教授和德國馬普量子光學所的亨施(T.W.H?nsch)教授共同獲得，以獎勵他倆對“超精細激光光譜學，包括光學頻率梳技術”的貢獻。

1978年，美國斯坦福大學的德國科學家T. H?nsch首先提出了“飛秒激光光學頻率”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，德國馬普（Max-Planck）實驗室的T. H?nsch等人，實現了光波頻率和微波頻率相連，實現了基于光子晶體光纖F-to-2F自參考鎖模的飛秒光梳，并實現了銫原子D1譜線的頻率測量。

性質

飛秒激光光學頻率梳

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

飛秒激光光學頻率梳

相移特性：

對于飛秒級別的超短脈沖激光而言，在每個脈沖時間內載波波長的激光所能震蕩的時間非常短，不足幾個光周期，且由于空氣介質（或其他色散介質）的存在，飛秒光梳的群速度和相速度之 間會產生差異，因此載波與脈沖包絡之間的相位關系會發(fā)生變化。激光在激光器的腔內每振蕩一次，其載波（carrier）和脈沖包絡（envelope）就會產生一個相位偏移延遲Δφ這種時域上的相位偏移現象在頻域里表現為所有縱模分量都沿著頻率軸移動一個偏移頻率，該頻率也稱初始偏移頻率或零頻率f。

應用

光學原子鐘

光學原子鐘是迄今為止，人類制造的最精確的時鐘，它的精度已經超過了1967年來一直作為標準的微波原子鐘。光學原子鐘將在空間導航、衛(wèi)星通信、基礎物理問題的超高精度檢。

化學探測器

研究人員已經演示了利用光梳的超靈敏化學探測器，目前正在研制商業(yè)化儀器的樣機。這種探測器，能夠讓安檢人員更快捷的識別爆炸物及危險病原體等有害物質。醫(yī)生可以通過檢測病人呼出的氣體的化學成分來診斷疾病。

超級激光器

利用光學頻率梳，許多激光器輸出的激光脈沖可以合稱為單束光脈沖序列。合成激光的相干性極好，就像是同一個激光器發(fā)出來的一樣。這種技術將來有望對從無線電波到X射線的電磁波譜實現相干控制。

長途通信

使單根光纖傳輸的信號量增加好幾個數量級，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，將從光梳的運用上獲得許多好處。

激光雷達 激光雷達用激光來測定遠距離目標的位置、速度和性質。用光學頻率梳產生的特定波形的激光，有望將雷達的靈敏度和探測范圍提高幾個數量級。

秒的新定義

穩(wěn)定的光學頻率梳發(fā)明以后，精確測量連續(xù)波激光器的頻率就變得輕而易舉了。像倍頻鏈一樣，基于光梳的頻率測量仍然需要以銫鐘作為標準。首先，必須測量光梳的零點偏移頻率和光梳梳齒的頻率間隔。有了這兩個數據，我們就能計算出所有梳齒對應的頻率。接下來，就要把待測激光與光梳的光混合在一起，測量激光與最接近它的梳齒產生的拍頻頻率，也就是兩者頻率差。這三個頻率都屬于微波頻段，可以用銫鐘非常精確的進行測定。至此，光梳的這些優(yōu)點使得時間標準從微波的向光學的轉變。