光纤光学频率梳

2010 2007
2005
Prism
2015
U. Keller 100W⻏⡷‫ݹ‬ợ
Multimode Fiber
Parabolic Mirror
HR
OC
BP
DM
SESAM
IMRA 80W᧪䮡‫ݹ‬ợ
SA QWP PZT FBG WDM PBS
FRM
PZT POL frep
YDF TEC
ISO
fCEO 976 nm
∆ϕ
2∆ϕ
vg
vp
Frequency domain fr
Tr Cavity round trip time
Fourier transformation
Gain profile
fr = 1/Tr f0 = (∆ϕ/2π)fr
f
f0
vn = nfr + f0
图1 光学频率梳的基本原理[1]
两脉冲的电场载波与脉冲整体包络之间存在着 相位差(Δj)，即载波包络相位。根据傅里叶变换 关系，时域的周期性脉冲序列对应着频域呈梳状
doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2019.01.003
第 41 卷第 1 期 ■专题综述
光纤光学频率梳*
谢戈辉，刘洋，罗大平，朱志伟，邓泽江，顾澄琳，李文雪†
华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062
摘要 在时域上，光学频率梳(光频梳)表现为时间间隔固定的超短脉冲序列，具有飞秒量级的时间宽度和极高的瞬时电场强 度；在频域上，光频梳呈现为数百万频率间隔固定的频率齿的集合，每根梳齿都具备窄线宽稳频连续激光器的频率精度。 光频梳已经发展成为一种重要的科研工具，广泛应用于高精度原子、分子特征信息识别，物质内部结构解析，生物成像及 空间遥感成像等诸多科学研究领域。文章首先说明光频梳的基本技术原理，然后介绍华东师范大学精密光谱科学与技术国 家重点实验室在光频梳研制领域的进展，并详细介绍基于自研光频梳发展的两种应用：双光梳三维编码成像和双光梳分子 光谱。
WDM
SC YDF
ISO
976 nm
LMA YDF
ISO
DC YDF
pump combiner
IMRA & JILA 10W᧪䮡‫ݹ‬ợ
Yb doped Single-mode fibre PM LMA Yb SM fibre stretcher fibre power amplifier
函数分布的频率齿。相邻梳齿之间的频率间隔 为重复频率(fr)，它是脉冲腔内往返时间的倒数 (1/Tr)；载波包络相位对应的频率称为载波包络 偏移频率(f0)，表现为频率梳齿的整体偏移。以 一把直尺为例， f0 类似于直尺的零刻线，而 fr 则 对应于直尺的单位长度。如果同时实现 f0 与 fr 这
两个自由度的精密控制，飞秒脉冲频谱范围内的 每个纵模频率就均可精确确定，进而可以实现光 学频率的精密计量。
目前研究与应用最为广泛的是基于锁模激 光器的飞秒光频梳，其基本原理如图1所示[1]。 锁模激光器在时域上输出周期性的超短脉冲序 列，其时间间隔等于脉冲腔内往返一周的时间 (Tr)。脉冲的包络宽度即为脉冲宽度，或者称为 脉冲持续时间。在脉冲持续时间内包含着具有多 个光学周期的载波信号，脉冲的载波信号以相 速度(up)传输，而整体包络的传输速度为群速度 (ug)。由于群速度与相速度的不同，导致每相邻
*国家自然科学基金项目(11874153、11804096)资助 †通信作者，研究方向：超快激光科学与技术。E-mail: wxli@
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Chinese Journal of Nature Vol. 41 No. 1 REVIEW ARTICLE
Time domain
关键词 光学频率梳；飞秒锁模激光器；载波包络相位频率；重复频率；f-2f自参考探测技术；锁相环
1 光学频率梳——时频域精密控制的飞秒 激光脉冲
20世纪后期，超快激光技术的快速发展为 精密光谱测量技术提供了崭新的技术手段。具有 超高时间分辨能力的飞秒脉冲，赋予科研人员探 索超快物理规律，获取原子、分子特征信息，认 识物质内部能量传递的能力。在工业生产方面， 飞秒脉冲具有极高的峰值功率密度，最大限度地 减小了热损伤，带来了前所未有的加工精度。基 于飞秒激光器和超快激光技术，科学家于1999年 发明了光学频率梳。由于光学频率梳在时频域均 具有极高的分辨率和稳定性，被广泛应用于时频 域高分辨、高精度科学研究。
光频梳的概念早在超短脉冲出现之前就已 经被提及，但受制于主动锁模激光器的频域特 性，精密的频 进了超短脉冲精密控制技术的发展(图2)。1999 年，瑞士的U. Keller教授提出了通过f-2f自参考 技术探测载波包络相位的方法[2]。2000年，基于 克尔透镜锁模技术的钛宝石激光器，J. L. Hall和 T. W. Hänsch等人利用超连续谱产生技术和自参
光频梳是一种由众多分立且频率间隔严格 相等的频率齿组成的宽带光源，它类似于一把计 量频率的尺子，因此也被称作光学频率尺。产生 光频梳的主要途径有三种：其一是基于被动锁模 飞秒激光器，通过控制超短脉冲的载波包络相位
偏移频率和重复频率，实现光脉冲时域与频域的 精密控制，可输出频谱覆盖范围超过一个倍频程 的宽带光谱；其二是对窄线宽连续激光器进行幅 度调制和相位调制，进而在频域上获得一系列频 率间隔相等的调制边带；其三是基于微腔振荡器 的光频梳产生技术，它是将一束窄线宽激光注入 高品质因子的光学微腔内，通过模式共振产生出 频率间隔相等的频率边带。同时，这些边带模式 在级联四波混频作用下，生成更多的频率间隔可 高达数百吉赫兹(GHz)的宽带光谱。
在频域上，飞秒光梳相当于高精度的光学 频率尺，具有离散的、间隔固定的、单一频率的 激光纵模，同时能够覆盖极宽的频谱范围，形成 数以百万计的频率“梳齿”，且任意纵模的谱线 又具有稳频连续激光器的频率精度。在时域上， 对载波包络相位的精密控制，使光频梳具有飞秒 量级的时间宽度和极高的瞬时电场强度。光学频 率梳技术将这些“梳齿”锁定在确定的频率上， 极大地简化了精密测量工作，掀起了频率测量领 域的革命。