飞秒光学频率梳
关于光学频率梳的概述
关于光学频率梳的概述06061102 扈琦摘要：光梳技术，秒的新标准。
引言：从1958年激光被首次成功制造至今，这个光学新的领域获得了异乎寻常的飞快发展，它使我们能够有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。
现在，一种新型的激光——“光学频率梳”诞生了，它就像一把“光尺”，使人类能够对光学频率实现及其精密的测量。
这里我将简要说明光学频率梳的结构以及其广阔的前景。
一、光梳结构光学频率梳由“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。
二、光梳技术应用光学原子钟 光学原子钟是迄今为止，人类制造的最精确的时钟，它的精度已经超过了1967年来一直作为标准的微波原子钟。
光学原子钟将在空间导航、卫星通信、基础物理问题的超高精度检。
化学探测器研究人员已经演示了利用光梳的超灵敏化学探测器，目前正在研制商业化仪器的样机。
这种探测器，能够让安检人员更快捷的识别爆炸物及危险病原体等有害物质。
飞秒激光频率梳绝对测距技术综述
果 ，误 差为 ８×１ ０一。该 实 验 结 果 优 于 当 时最 先 进 的 量距 离 提高 了三倍 以上 。
Ｌｉａ ｅｃ 激光 跟踪 仪 的技 术 指 标 （ 差 为 １ 误 ０×１ ） ０ ，测
计 测 技 术
综合 评述
・１ ・
飞 秒 激 光 频 率 梳 绝 对 测 距 技 术 综 述
华卿 ，周维虎 ， 一 ，许艳
（ ．中国科 学院 光 电研 究 院 ，北 京 １０９ ；２ １ ００４ ．中 国科 学院研 究 生院 ，北 京 １０４ ； ００９ ３ ．华 中科 技大 学 光 电子科 学与工程 学 院，湖北 武 汉 ４０７ ） ３０ ４
。 ¨
ｐｒ ｂｅ ｏ
‘
为时间探针来研究或测量其他手段无法得到的瞬态事 件 光学信 息 口 。如果 对 飞秒 （ｓ ０ ｓ 光脉 冲 的重 ｆ，１ ）
复频率 （ ） 和载波 一包络 相位 （ 咖 △ ） 进行 精 密控 制 ，根 据傅 里 叶 变换 ，在 频域 即 为分 布 均 匀 、位 置 固 定 且光 谱 范 围极 宽 （ １。条 ） 的一 系列 谱 线 ， 图 １ 达 ０ 所 示为超 短 激光 脉 冲 的时 域 和 频 域 特性 。 由于 该 光谱
Ｒｅ ｉｗ ｆ Ａｂｓ ｌ ｔ ｓａｎ ｅ Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｍ ｔ ｅ ｏ ｄ ｔｃ ｌＦｒ ｑｕｅ ｙ Ｃｏ ｂ ｖｅ ｏ ｏ ｕ ｅ Ｄｉｔ ｃ ａ ｕ ｅ ｎｔｗｉｈ Ｆｅ ｏｓ ｃ ｎ Ｏｐ ｉａ ｅ ｎｃ ｍ
ＨＵ Ｑｉｇ ，Ｚ Ａ ｎ ＨＯＵ Ｗｅｈ ｉ ｕ ，ｘＵ Ｙａ ｎ’
行 时间法 、相 位法 和 多波 长干 涉法 ，限于 各 自的局 限 ， 难 以解决 测程 、准 确度 和实 时性 之 问的矛盾 ¨ 。 Ｊ
光学频率梳的产生
光学频率梳的产生好吧，今天咱们来聊聊一个看起来挺高大上的东西——光学频率梳，听起来就像是要去外太空的装备对吧？但其实它并没有那么复杂，放心！你可以把它当做一种“光的锯齿状武器”，嘿嘿，开个玩笑啦，咱们慢慢聊。
先说说什么是光学频率梳。
你有没有见过那种小巧玲珑的梳子？一根长长的手柄上面插着很多细细的齿，拿来梳头发。
别急，别想歪了，这个“梳”字可不是单指梳头的梳子。
光学频率梳，顾名思义，就是把不同频率的光线（也就是不同颜色的光）排列成一个整齐的“梳子”形状，光线一个接一个，井然有序，像一排排军人整齐地站好队，嘿，给光打个“排队”吧！不过，搞清楚这个“频率梳”的概念之前，咱们得了解一下频率是啥。
你是不是知道，光也是波，咱们在生活中见到的光其实是不同波长的电磁波。
每个波长对应着不同的颜色。
所以，光的频率高低决定了它是红色、蓝色还是紫色。
好啦，光学频率梳的“频率”就是指这些光波的波动频率，它就像是在一个范围内，把不同频率的光巧妙地串联成一个完美的排列。
那怎么产生这个“光学频率梳”呢？别着急，给你慢慢讲。
想要制造这个梳子，首先你得有一个非常强大的光源。
现在最常用的方式是利用一种叫做“激光”的东西。
激光就像是一个超级酷的光源，它能够发出非常稳定的光，这种稳定性可是我们做高精度实验和测量时的必备条件。
而激光打出来的光，通常是一个单一的频率，那如果你想得到多个频率的光，怎么搞呢？这里面就涉及到一个叫做“非线性光学”的技巧，听起来是不是有点复杂？它就像是让光与一种特殊的材料发生“互动”，这种互动叫做“光的非线性效应”。
通过这种效应，激光光束可以在这种材料中“打出”更多不同频率的光。
你可以想象，激光光束像是一个主心骨，然后通过这个材料，它能像变魔术一样，把光拆成好多好多不同频率的“碎片”。
这些碎片按照一定的规律整齐排列，这样就得到了光学频率梳！是不是有点像神奇的“光的拼图”？说到这里，可能你会问了，咱们做这个光学频率梳到底有什么用呢？嘿，这个可有大用处。
基于飞秒光学频率梳的乙炔气体光谱测量
基于飞秒光学频率梳的乙炔气体光谱测量作者：高宇炜武腾飞张磊韩继博赵春播夏传青来源：《航空科学技术》2020年第12期摘要：双光梳光谱分析技术近年来凭借高分辨率、高灵敏度、宽光谱覆盖和快速测量的优势，在分子和原子光譜分析领域得到了快速的发展。
首先简要介绍双光梳光谱测量技术的基本原理，然后根据实验室现有条件，建立相应的双光梳光谱测量装置，并针对乙炔气体进行可行性验证。
关键词：双光梳光谱学；激光光谱学；光谱分析；光学频率梳；双光梳系统中图分类号：TN249文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.012光学频率梳（optical frequency comb ，OFC）作为一种高精度的频率测量工具，在前沿物理领域得到了广泛的应用[1]。
光梳通过将光频率和微波频率相联系，通过两者之间的直接关联，可以有效地实现对光学频率的计量[2-3]。
在实际应用方面，飞秒激光频率梳在精密时间计量[4]、精密宽带光谱测量[5]、高精度距离测量[6]、高精度速度监测[7]、激光雷达[8]、光纤传感[9]和激光多普勒测速[10]等方面得到广泛的应用。
由于飞秒激光频率梳具有带宽高、短时稳定和长时稳定效果好的特点，近些年其在高精度光谱测量方面实现了长足的进步，出现了许多新光谱测量方法[11-13]。
现有的测量方法主要分为两类：第一类是在原有的光谱测量方法的基础上，将普通光源替换为飞秒光源，利用飞秒光源的特点，提升光谱测量精度，如在傅里叶变换光谱法中[11]，使用飞秒光源可以增加主动探测的光谱范围，在腔增强或腔衰荡法中[12]，可以将高品质因数的激光脉冲耦合进光学谐振腔，提升测量灵敏度；第二类是基于光梳的相干性，利用异步光取样的方法，将飞秒光学频率梳作为光源，实现光谱的测量[13]。
由于该光谱测量方法利用了两台光梳作为相干光源，这种方法一般被称为双光梳光谱法（DCS）。
这种方法的基本原理是2002年由Schiller[14]首次提出的。
光频梳简介
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
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 f 2n ）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。
超快光学中的飞秒脉冲调控与调频
超快光学中的飞秒脉冲调控与调频光学技术在现代科学和工业中起着举足轻重的作用。
超快光学是光学技术的一个重要分支，它使用时间分辨的方法研究超快现象。
其中，飞秒脉冲调控和飞秒脉冲调频是超快光学中的两个关键技术，它们在材料科学、生物医学和通信领域等方面都有着重要的应用。
飞秒脉冲调控是指通过对超快飞秒脉冲的相位、幅度和波形进行调节，实现对光脉冲的精确控制。
这种控制可以在光与物质相互作用的过程中实现，从而引发一系列非线性效应。
一种常见的应用是通过调控飞秒脉冲的相位来实现超高分辨率的光谱测量。
另外，飞秒脉冲调控还可以用于光学频率梳的生成和精确测量，这在光学钟和频率计的研究中具有重要意义。
不仅如此，飞秒脉冲调控还可以用于材料加工和光学成像。
通过控制飞秒脉冲的波形，可以实现材料的微纳加工，例如在二维材料中刻写微型电路和量子器件。
此外，通过调控飞秒脉冲的相位及幅度，还可以实现超分辨率的光学成像。
这种技术在生物医学中具有广泛的应用前景，可以用于细胞内部的显微观察和疾病的早期检测。
除了飞秒脉冲调控，飞秒脉冲调频也是超快光学中的重要技术。
调频是指改变光波的频率，而飞秒脉冲调频是指在飞秒时间尺度上实现频率的精确控制。
这种技术对于材料的研究和光学通信都具有重要意义。
在材料科学中，通过调频技术可以实现对材料的非线性响应的控制。
例如，通过调节飞秒脉冲的频率，可以实现在特定频段内的光吸收增强或减弱，从而实现对材料的光学性质的精确调控。
在光学通信中，飞秒脉冲调频可以用于高速数据传输。
通过在脉冲中引入频率调制，可以实现光载波的调频，从而实现高速数据的传输。
这种技术在光纤通信和激光雷达领域具有重要的应用前景。
另外，飞秒脉冲调频还可以用于中红外激光的生成和调控，这在化学和生物医学中的光谱分析中起着重要作用。
总结起来，超快光学中的飞秒脉冲调控和调频是一种重要的技术手段，具有广泛的应用前景。
它们在材料科学、生物医学和通信领域都能发挥重要的作用。
光学频率梳原理
光学频率梳原理光学频率梳是一种用于测量和控制光学频率的新型技术工具，其原理基于相干光的调制和频率转换。
在传统的频率测量和控制中，通常使用稳定的光源和频率计（如Fabry-Perot干涉仪），然而这种方法存在几个限制，例如频率分辨率低、需要高稳定性的光源、测量速度慢等。
光学频率梳通过将连续的谐振光转换成复合谐振光来解决这些问题，从而实现高分辨率、高测量速度和可重复性极好的频率测量和控制。
光学频率梳的原理是基于激光的非线性频率转换。
具体来说，将一个强大的激光束传输到一个非线性晶体中，它将被分裂成许多频率模式，这些模式在相位上保持固定，并形成了一个复合的频率谱。
这个谱是由许多等间隔的频率线组成，这些频率线的间距与原始激光脉冲的重复率（即射频频率）相等。
因此，可以将光学频率梳看作是一个基于相干光调制的三角函数模型，其中每一个模式对应着一个频率点，并能够提供极高的精度、分辨率和可重复性。
在实际应用中，光学频率梳通常被用于测量和控制光学频率，例如在精密测量、分子或原子光谱学、频率合成等方面。
在精密测量中，光学频率梳可用于测量腔的长度、折射率变化、物理常数等，从而实现极高的测量精度和可重复性。
在分子或原子光谱学中，光学频率梳可用于产生和探测不同的分子和原子的光谱谱线，从而实现高精度的频率测量和分析。
在频率合成中，光学频率梳可用于将不同的频率合成到一个高度稳定的光源中，从而实现极高的频率精度和稳定性。
总之，光学频率梳是一种基于相干光调制和频率转换的新型技术工具，具有极高的分辨率、精度和可重复性。
它在许多领域中应用广泛，如精密测量、分子或原子光谱学、频率合成等。
随着技术的不断进步，光学频率梳将成为实现高精度和高速频率测量和控制的重要工具。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
飞秒光学频率梳
什么是飞秒光学频率梳？
飞秒光学频率梳（femtosecond optical frequency comb）是一种能够产生高精度、高稳定性的光学时钟信号的仪器，它可以将连续的激光光谱转换为离散的、均匀分布在频率轴上的线状谱，这些线状谱之间的间隔是固定的。
通过控制这些线状谱之间的间隔，飞秒光学频率梳可以产生高精度、高稳定性的微波和毫米波信号，被广泛应用于精密测量、频率合成、时间和空间标准等领域。
飞秒光学频率梳的原理
飞秒光学频率梳利用了超快脉冲激光器发射出来的高重复频率脉冲序列，这些脉冲序列经过非线性效应作用后形成了一个离散且均匀分布在频域上的线状谱。
这个离散化后的谱称为“频率梳”，因为它类似于一把具有均匀刻度的调制器。
飞秒光学频率梳的应用
1. 频率合成
飞秒光学频率梳可以将一个单一的频率转换为多个精确的频率，从而
实现频率合成。
这种技术被广泛应用于通信、雷达、卫星导航等领域。
2. 精密测量
飞秒光学频率梳可以用于精密测量，例如测量光速、原子钟、引力波
探测器等。
利用飞秒光学频率梳可以实现高精度的测量，具有极高的
可靠性和稳定性。
3. 时间和空间标准
飞秒光学频率梳可以作为时间和空间标准，例如国际计量单位制中的
秒就是通过利用铯原子钟和飞秒光学频率梳来定义的。
4. 生物医学研究
飞秒光学频率梳还可以应用于生物医学研究领域，例如通过利用飞秒
光学频率梳进行拉曼光谱分析来检测人体组织中的化合物和分子。
总结
飞秒光学频率梳是一种能够产生高精度、高稳定性的微波和毫米波信
号的仪器，它可以广泛应用于精密测量、频率合成、时间和空间标准
以及生物医学研究等领域。
飞秒光学频率梳的原理是利用超快脉冲激光器发射出来的高重复频率脉冲序列，通过非线性效应作用后形成离散且均匀分布在频域上的线状谱。