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飞秒激光频率梳简介

作者: Kevin Peng    发布于: 2015-11-14 02:30    点击:

一、飞秒激光频率梳原理
飞秒激光频率梳是世纪之交最重要的科学发明之一。基于微波原子钟对飞秒激光载波包络相位 (CEP) 漂移及重复频率的锁定,飞秒激光能够高精度的实现微波频率与光学频率的连接,从而使得用光学频率测量微波频率的梦想得以成为现实。近年来,光学频率梳的研究在结构上进一步朝着全光纤及微腔等方向发展,功能上朝着极紫外、红外波段及高重复频率等方向发展,技术上采用自差频、前向反馈控制等方法,稳定性也得到 进一步的提高。

飞秒锁模激光通过锁定所有起振的激光纵模相位来产生周期性的脉冲,如图1所示。在频率域内,这个激光脉冲的电场由相等频率间距fr的光梳构成,如果不考虑载波与包络的相对相位问题,则第n个梳齿的频率为脉冲重复频率的整数倍,即:
fn=n×fr.。                  (1)
但是由于激光腔内介质的色散现象,会造成载波以相速度而包络以群速度进行传播,所以载波频率会发生平移,即:
fn=n×fr+f0。               (2)
f0是偏置频率。脉冲重复频率fr.和偏差频率f0都是在微波频率范围,因此利用1台飞秒锁模激光器就可以将微波和光频建立联系。如果fr.f0都是稳定的,那么每一个光梳齿的频率就是稳定的,于是就建了一个标准的频率尺,称之为光学频率梳。

脉冲重复频率fr和偏置频率fo的探测方法如图2所示。脉冲重复频率犳fr 可直接用光电探测器得到,控制激光器的腔长即可控制重复频率fr并将其锁定至频率基准,偏置频率fo的探测与锁定通常采用自参考频率锁定方法。飞秒光频梳的第n个梳齿的频率可由(2)式给出,第2n个梳齿的频率可表示为f2n=2n×fr.+f0。所以,偏置频率f0可由第n个梳齿的2倍频频率与第2n个梳齿的频率进行拍频而获得,即f0=2×fn-f2n。通过对脉冲重复频率fr和偏置频率fo的准确测量,该频率尺就可以定量的测量其他的物理量。
二、飞秒激光频率梳的应用
应用从初期的频率测量,已覆盖到基本物理常数的精确测定、新一代的全球定位系统、超高精度分子动力学、地外生命的探测、宇宙膨胀的验证、超长距离的超高精度测量等前方面。
(1)激光频率绝对测量
利用飞秒光频梳测量某一激光的绝对频率,待测激光频率fx可表示为
fx=n×fr±f0±fb。      (3)
式中fb为待测激光频率与第n个光梳齿的拍频,且frf0fb均为正值。当光频梳锁定至频率基准后frf0可精确测得,为确定整数级次n、frf0的符号,待测激光频率的初值应准确到±fr/4。目前,Menlo Systems GmbH公司的飞秒激光频率梳的测量不确定度可以达到10-14,而商用波长计的频率测量不确定度仅为10-8
(2)激光频率锁定与溯源
     尽管飞秒光频梳可提供溯源至频率基准的宽光谱激光,但是频率可溯源、可调谐且具有一定功率的单一频率连续激光在干涉精密计量等领域的应用仍非常广泛。工作激光fDL与光频梳拍频,利用激光偏频锁定方式可锁定犳fDL至与其频率相邻的光频梳的梳齿,如图3所示。利用光频梳作为频率传递的桥梁,fDL溯源至频率基准并具有相同的频率稳定度,闭环控制工作激光器可实现fDL在多梳齿间连续调谐,而且一般商用的可调谐半导体激光器的光功率均在毫瓦量级,远大于光频梳单梳齿的功率。
(3)高精度距离测量
飞秒光频梳不仅可以作为一把频率尺对激光频率进行精确计量,考虑到时间、速度和距离的相互关系,它也可以作为一把空间尺对长度进行测量。飞秒光学频率梳(光梳)的出现对于精密光谱学和时间频率基准具有划时代意义,促进了光学长度度量的提高,同时也为解决大距离高精度绝对测距问题提供了诸多有效的方法,例如结合非相干原理和相干原理的测距法、基于时间飞行原理的非干涉测距法等,这些方法的测距本质为瞬时绝对测距,且经科学推测,基于光梳精密测距技术,有望在107m数量级的理论量程内实现纳米级的测量精度。
飞秒光梳绝对测距技术以其快速、大尺寸、高精度等优点在绝对距离测量领域的优势已逐渐显露出来,并在卫星测绘、空间探测、卫星编队飞行、相对论检验、空间引力测量、地外星体探测、空间通讯等要求高精度测距技术的领域都将具有极大的应用价值和广阔的应用前景。
(4)精密光谱测量
利用光频梳作为频率标尺标定连续激光器并用于光谱测量,相对于传统的基于连续激光器的吸收光谱测量,可实现连续激光器频率的可控和溯源,提高了光谱分辨率。直接光频梳光谱技术可利用光频梳的全光谱进行测量,类似于使用无数个频率和相位稳定的窄线宽激光,且其光谱分辨率受限于单个梳齿的线宽,通常在千赫兹至亚赫兹量级。
(5)其他测量
除了对光谱、距离、尺寸的精密测量外,飞秒光学频率梳还在光钟、时间同步、激光冷却、低位相噪声激光器等领域具有重要的应用。
三、相关公司简介:
Menlo Systems GmbH公司负责人为2005年因对飞秒光学频率梳技术有所贡献获得诺贝尔物理学奖的Prof. Theodor W. Hänsch和 Dr. Michael Mei, Dr. Ronald Holzwarth。公司总共固定员工90 人,总部在德国慕尼黑,美国Netwon 也设立有分公司。公司产品主要为飞秒光学频率梳系统,高重复频率飞秒光纤激光器(重复频率250MHz),超稳光学谐振参考源腔 (1Hz 线宽),高单脉冲能量飞秒光纤激光器(10 微焦,最高10MHz 重复频率),全光纤太赫兹时域光谱仪,时间同步分布系统。其中飞秒光学频率梳FC1500-250-WG 系统已经分布在世界主要国家的大多数计量院以及科研单位超过160 多套。
 
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