“光學(xué)頻率梳”的原理與應(yīng)用
瀏覽次數(shù)：1121 發(fā)布于：2023-04-21
光學(xué)頻率梳（OFC）是指在頻譜上由一系列均勻間隔且具有相干穩(wěn)定相位關(guān)系的頻率分量組成的光譜。隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，OFC由于其在光學(xué)任意波形產(chǎn)生、多波長(zhǎng)超短脈沖產(chǎn)生和密集波分復(fù)用等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用吸引了越來越多學(xué)者的關(guān)注。
光學(xué)頻率梳已經(jīng)成為繼超短脈沖激光問世之后激光技術(shù)領(lǐng)域又一重大突破。在該領(lǐng)域內(nèi)，開展開創(chuàng)性工作的兩位科學(xué)家J. L.Hall和T. W. Hansch于2005年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
原理上，光學(xué)頻率梳在頻域上表現(xiàn)為具有相等頻率間隔的光學(xué)頻率序列，在時(shí)域上表現(xiàn)為具有飛秒量級(jí)時(shí)間寬度的電磁場(chǎng)振蕩包絡(luò)，其光學(xué)頻率序列的頻譜寬度與電磁場(chǎng)振蕩慢變包絡(luò)的時(shí)間寬度滿足傅里葉變換關(guān)系。
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光學(xué)頻率梳（OFC）是指在頻譜上由一系列均勻間隔且具有相干穩(wěn)定相位關(guān)系的頻率分量組成的光譜。隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，OFC由于其在光學(xué)任意波形產(chǎn)生、多波長(zhǎng)超短脈沖產(chǎn)生和密集波分復(fù)用等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用吸引了越來越多學(xué)者的關(guān)注。
光學(xué)頻率梳已經(jīng)成為繼超短脈沖激光問世之后激光技術(shù)領(lǐng)域又一重大突破。在該領(lǐng)域內(nèi)，開展開創(chuàng)性工作的兩位科學(xué)家J. L.Hall和T. W. Hansch于2005年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
原理上，光學(xué)頻率梳在頻域上表現(xiàn)為具有相等頻率間隔的光學(xué)頻率序列，在時(shí)域上表現(xiàn)為具有飛秒量級(jí)時(shí)間寬度的電磁場(chǎng)振蕩包絡(luò)，其光學(xué)頻率序列的頻譜寬度與電磁場(chǎng)振蕩慢變包絡(luò)的時(shí)間寬度滿足傅里葉變換關(guān)系。
超短脈沖的這種在時(shí)域和頻域上的分布特性就好似我們?nèi)粘Ｋ玫氖嶙?，形象化的稱之光學(xué)波段的頻率梳，簡(jiǎn)稱"光梳"。
光梳相當(dāng)于一個(gè)光學(xué)頻率綜合發(fā)生器，是迄今為止有效的進(jìn)行絕對(duì)光學(xué)頻率測(cè)量的工具，可將銫原子微波頻標(biāo)與光頻標(biāo)準(zhǔn)確而簡(jiǎn)單的聯(lián)系起來，為發(fā)展高分辨率、高精度、高準(zhǔn)確性的頻率標(biāo)準(zhǔn)提供了載體，也為精密光譜、天文物理、量子操控等科學(xué)研究方向提供了較為理想的研究工具，逐漸被人們運(yùn)用于光學(xué)頻率精密測(cè)量、原子離子躍遷能級(jí)的測(cè)量、遠(yuǎn)程信號(hào)時(shí)鐘同步與衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域中。
獲得光梳的關(guān)鍵首先是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超短脈沖輸出，其次是實(shí)現(xiàn)對(duì)該超短脈沖序列在時(shí)域及頻域的精密控制，即對(duì)超短脈沖的載波包絡(luò)相位和激光脈沖重復(fù)頻率的控制。早期的光梳光源都是基于傳統(tǒng)的鈦寶石飛秒激光器構(gòu)建而成。
美國(guó)天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室J.L. Hall教授等人首次利用自參考f-2f技術(shù)實(shí)現(xiàn)了載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的鈦寶石鎖模激光器，這標(biāo)志著飛秒光學(xué)頻率梳的誕生。
光頻梳技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用：
激光雷達(dá)用激光來測(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)。
光學(xué)原子鐘是迄今為止，人類制造的精確的時(shí)鐘，它的精度已經(jīng)超過了 1967年來一直作為標(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)物理問題的超高精度檢。
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)生可以通過檢測(cè)病人呼出的氣體的化學(xué)成分來診斷疾病。
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。
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