光频梳技术

（3）自参考偏差频率量测示意图
三.几种常见的光频梳
Optical Frequency Comb OFC (光频梳)Biblioteka Baidu
科学家追求更精确的时间标准，一种称为「光 频梳」的新型激光出现，实现了这个可能。 简 单來讲，光频梳就是利用锁模激光产生超短光脉 冲，特色是相邻脉冲波时间间隔一模一样，清大 物理系教授施宙聪表示，光频梳就像是一把拥有 精密刻度的尺或定时器，只不过一般的仪器以毫 米、毫秒为单位，而光频梳在长度的测量上精确 胜过奈米，时间则胜过飞秒、甚至达到阿秒。
宝石激光器的出现，德国马普量子光学研究所 的Theodor. W. Hansch 利用新型激光器证明了 输出光梳输出光谱两端的光梳谱线具有确切的 对应关系，使得光梳真正的可以被作为“光尺 ”使用。
Ⅱ.光频梳的工作原理 1.光频梳
光频梳系统为频域上产生等间隔光频齿（ comb line）,其每一根光频齿的频率如下式表示 ： 其中， frep为锁模激光器激光脉冲的重复频率， 而δ为偏差频率，n为整数。光频梳最大的功能在 于可将难以精确测量的未知光频fu以下式表示：
其中，τ= 1∕ frep为脉冲序列的周期。 对（2）式整理并作傅里叶转换，
而锁模雷射为各不同模能雷射的同相叠加，故各 模能之间的相位差为2π的整数倍，取 可推得 （3）
（3）式即为光频梳上第n 根光梳齿的数学表示式 。图（2）即为脉冲雷射的频谱。
（2）激光脉冲序列频域场图
3.自参考技术
“自参考”技术可以保证梳齿精确定位。由 于飞秒雷射和光子晶体光线的发展，超连续光谱 的展频宽度可达八度音以上，因此可以使用简单 的自参考技术来量测偏差频率。在展频达八度音 的光谱中，取出低频的信号（fn nfrep ），并将 其以非线性晶体倍频得到（ 2 fn 2nfrep 2 ）， 再将其与超连续光谱中高频部分（ 2 f n f2n ）拍频，取得拍频信号（ f2n 2nfrep ），此 拍频讯号即为偏差频率， 如图（3）所示。而此 信号可由雪崩光侦检器和频谱分析仪量测得到。
2005年诺贝尔物理学奖 由美、德三个科学家共同获得， 分享共约130万美元 1、美国人：约翰·霍尔，罗伊·格劳伯
2、德国人：特奥多尔·亨施 ●罗伊·格劳伯得一半，成就是对“光粒子的特性进行了理论描 述——光学相干的量子理论” ●约翰·霍尔，特奥多尔·亨施得另外一半，成就是对“开发了基 于激光的高精度光谱技术，即以极高的精度确定原子和分子 的光线颜色——光频梳技术，其以15位的精确度来衡量光 频率成为可能；” ●他们成就“可以构建非常鲜艳色彩（单色）的激光，可以开 发高精度 的时钟，可以改进全球定位系统”。
二.光频梳的结构和工作原理
Ⅰ.光频梳的结构
光学频率梳由“锁模激光器”产生，是一种超短脉冲激光。 超短光脉冲的载波由单一频率的光构成，这种光会在光谱上该频 率显示为一条竖线，表示只存在该频率的光波。在这里，锁模激 光器发射的光脉冲的两个特征成为了研制光学频率梳的关键。第 一个特征是，包络相对于载波发生微小位移，导致脉冲发生细微 变化。脉冲包络的峰值，可以和对应的载波波峰同时出现，也可 以偏移到载波的波峰同时出现，该偏移量被称为脉冲位相。第二 个特征，锁模激光器以重复频率发射脉冲序列。这种脉冲序列光 的频谱不是以载波频率为中心向两边连续延展，而是形成许多离 散的频率。这个频谱分布很像梳齿，彼此间隔与激光器的重复频 率精确相等。但在通常情况下，前后两个脉冲的位相会发生一些 不可预知但却固定不变的偏移，这时，梳齿的频率会偏离重复频 率的整数倍，出现零点漂移，使得梳齿频率不可确定。随着钛
3、瑞典国王于10月10日在斯德哥尔摩颁奖。 4、诺贝尔的遗嘱：给人类带来最大的利益，在物理学领域中 取得过最重要的发现或发明。 2018/11/6
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“For their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique”
（1） 激光脉冲序列时域场图
分析此光脉冲序列，对其时域场进行傅里叶转换 ： 单一脉冲场的数学表达式如下： ic t （1） E (t ) E (t )e ic t 表示频率为 其中，E(t)表波包的振幅， c 的载 e 波。基于（1）式，光脉冲序列可以下式表示： （2） i ( （ c t-n）+n ) ˆ E (t ) n E (t n )e
2007/12/07
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J. L. Hall, K. T. Udem, R. Drever and T. W.Hansch
主要内容
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认识光频梳 光频梳的结构和工作原理 几种常见光频梳 光频梳技术的价值及应用
一.认识光频梳
梳子特点：离散的，等间距的
光频梳定义：光频“梳”是一些离散的、
等间距频率的像梳子一样的形状的光谱。
λ=cf
Ruler
在光学领域，光学频率梳，就像一把“光 尺”，使人类能够对光学频率实现及其精 密的测量。
在直线上标记一系列标准的长度，比如毫米，就 可以用来测量其它物体的长度，如果尺上这些标 准间隔代表的不是距离，而是频率，每一点都代 表不同的频率值，那么就可以用这把尺子来测量 频率。光（或电磁波）中有各个不同的频率分量 （不同颜色的光的振荡频率都不同），每一分量 都有固定的频率，如果把这些分量都标记到一把 “尺”上，就可以测量其它物体发出的光的频率 了！这就是所谓的“光学频率梳”！
f beat为fu和第n根光梳齿的拍频，其必小于frep 。
2.脉冲重复率和偏差频率
飞秒锁模激光器的锁模雷射在时域中的表现 为周期为1∕ frep的光脉冲序列，如图（1）所示， 实线表光脉冲序列的载波，而虚线表周期性脉冲 的波包，ΔФ为脉冲波包与载波绕行共振腔一次 所产生的相位差，其成因为色散造成载波相速度 和群速度的不一致。