本文講述了光學(xué)頻率梳的工作原理與組成部分，對光學(xué)頻率梳的應(yīng)用也有很多介紹
光學(xué)頻率梳：光學(xué)測量與通信的革命性工具
光學(xué)頻率梳（Optical Frequency Comb,OFC）是一種能夠產(chǎn)生一系列等間隔光頻的激光光源线得，類似于梳子的齒狀結(jié)構(gòu)饶唤，因此得名。
圖1 光學(xué)頻率梳在時域與頻域的示意圖
2005年贯钩，約翰·霍爾（John L. Hall）和西奧多·亨施（Theodor W. H?nsch）因在光學(xué)頻率梳技術(shù)方面的突破性貢獻而獲得諾貝爾物理學(xué)獎募狂。霍爾和亨施的工作主要集中在精確測量和控制光頻率方面角雷。他們通過開發(fā)穩(wěn)定的飛秒激光技術(shù)和精密頻率控制方法祸穷，使得光學(xué)頻率梳成為可能，從而大幅度提高了頻率測量的精度勺三。這項技術(shù)極大地推動了精密光譜學(xué)雷滚、時間和頻率標準、光通信等領(lǐng)域的發(fā)展吗坚。本文將介紹光學(xué)頻率梳的原理祈远、技術(shù)實現(xiàn)及其應(yīng)用。
光學(xué)頻率梳的工作原理
光學(xué)頻率梳的構(gòu)建依賴于超短脈沖激光器商源。通過鎖模技術(shù)（mode-locking）车份，激光器可以產(chǎn)生一系列等間隔的短脈沖。每個脈沖在頻域上對應(yīng)一個離散的頻率分量炊汹，這些頻率分量形成了頻率梳狀結(jié)構(gòu)躬充。鎖模技術(shù)是產(chǎn)生超短脈沖的核心機制。在鎖模激光器中，通過精確控制激光腔內(nèi)的相位關(guān)系充甚，使得多個縱模相干疊加以政，從而形成穩(wěn)定的脈沖序列。
光學(xué)頻率梳的頻率間隔由激光脈沖的重復(fù)頻率決定伴找。重復(fù)頻率是脈沖序列中相鄰脈沖的時間間隔的倒數(shù)(1/Trep)盈蛮，通過調(diào)整激光器的腔長可以精確控制重復(fù)頻率。載波包絡(luò)相位是決定光學(xué)頻率梳絕對頻率位置的關(guān)鍵參數(shù)技矮。我們可以通過控制抖誉，可以精確鎖定光學(xué)頻率梳的梳齒位置，從而實現(xiàn)高精度的頻率測量衰倦。光頻梳的輸出光在時域上是一系列等間隔的脈沖序列,在頻率域上則是由許多個等間距的頻率成分組合而成,其每個梳齒的頻率,即光頻梳中不同的頻率成分等于
其中,N為光頻梳相應(yīng)梳齒的序數(shù),fN代表第N根頻率梳齒袒炉，frep為重復(fù)頻率，fceo為載波包絡(luò)偏移頻率樊零。因此,想獲得穩(wěn)定的光學(xué)頻率梳,必須先構(gòu)建相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)獲取到frep及fceo兩個信號,并利用鎖相技術(shù)分別將這兩個信號鎖定到穩(wěn)定的參考頻率源上我磁。在基于鎖模光纖激光器的光頻梳中，通常在百MHz量級驻襟，有些工作中能達到GHz夺艰。然而，fceo與光的載波相位有關(guān)沉衣，目前光電探測器無法實現(xiàn)光相位的檢測郁副。針對fceo的測量一個較為理想且成熟的方法是自參考f-2f技術(shù)。
鎖模激光器是光學(xué)頻率梳的基礎(chǔ)豌习。在20世紀存谎，鈦藍寶石（Ti）激光器是一種常用的鎖模激光器，具有寬廣的增益帶寬斑鸦，能夠產(chǎn)生飛秒（10^-15秒）級的超短脈沖愕贡。通過Kerr透鏡鎖模（Kerr Lens Mode-Locking, KLM）技術(shù)草雕，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模操作巷屿，產(chǎn)生寬帶的光學(xué)頻率梳。摻鉺光纖激光器（Erbium-Doped Fiber Lasers）是一種基于摻鉺光纖放大的鎖模激光器墩虹，通常工作在1.55微米的波長范圍嘱巾，適用于光通信領(lǐng)域。利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)或飽和吸收體實現(xiàn)鎖模操作诫钓，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的超短脈沖序列旬昭。
Menhir-1550是1550nm波段GHz重復(fù)頻率下相位噪聲z低的激光器。Menhir Photonics飛秒激光源基于強大且精心設(shè)計的設(shè)計菌湃，具有出色的可靠性问拘，具有市場上孤子模型鎖定時z低的相位噪聲和定時抖動。連續(xù)24/7運行，用戶友好和自啟動骤坐，Menir -1550系列旨在促進OEM集成并滿足特定客戶的需求绪杏。
圖2 Menir-1550激光器
圖3 光學(xué)頻率梳在時域與頻域的示意圖
而非線性介質(zhì)在擴展頻率梳的光譜范圍方面起著關(guān)鍵作用。光子晶體光纖（photonic crystal Fiber, PCF）是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的光纖纽绍，通過調(diào)節(jié)光纖內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)猎莲，可以實現(xiàn)高效的非線性效應(yīng)椎瘟。在超短脈沖激光通過光子晶體光纖時，非線性效應(yīng)會使脈沖展寬，從而產(chǎn)生寬帶的超連續(xù)譜瞻佛，覆蓋從可見光到近紅外的廣泛波長范圍。除了光子晶體光纖还惠，其他非線性材料如鈮酸鋰（LiNbO3）蟹腾、鈮酸鉀（KTP）等也可以用于展寬脈沖光譜，增強光學(xué)頻率梳的頻譜覆蓋范圍站故。
昊量光電新推出封裝的非線性納米光子波導(dǎo)模塊杯拐，可用于脈沖激光的超連續(xù)譜產(chǎn)生。該模塊采用納米光子波導(dǎo)技術(shù)緊密束縛光線世蔗，實現(xiàn)了低脈沖能量下的超連續(xù)譜產(chǎn)生端逼，并且用戶可以通過定制波導(dǎo)尺寸調(diào)節(jié)實際輸出的光譜信號。模塊支持標準光纖連接污淋，通過標準封裝提供定制光譜輸出顶滩。
圖4 超連續(xù)譜生成模塊
圖4 超連續(xù)譜生成模塊主要參數(shù)
如圖5，從1560nm激光產(chǎn)生780 nm時寸爆，在低脈沖能量(15 pJ)時礁鲁，光譜相對較窄。當脈沖能量高于140 pJ時赁豆，產(chǎn)生的寬帶光峰值在780 nm處仅醇，而這為激光頻率梳的fceo檢測打下了基礎(chǔ)。
圖5 超連續(xù)譜生成示例
f-2f自參考技術(shù)是光學(xué)頻率梳實現(xiàn)絕對頻率穩(wěn)定的關(guān)鍵方法之一魔种。這種技術(shù)依賴于將頻率梳的頻率擴展到兩倍頻率范圍內(nèi)析二，然后進行自參照。首先节预，光學(xué)頻率梳產(chǎn)生的脈沖通過非線性介質(zhì)（如光子晶體光纖）叶摄，將頻譜展寬到包含頻率f-2f的范圍。通過非線性效應(yīng)安拟，特別是二次諧波產(chǎn)生（second harmonic Generation, SHG）蛤吓，可以將某一頻率f倍增至2f。然后糠赦，將原始頻譜中的頻率f與展寬后的頻譜中的頻率2f進行比較会傲。通過干涉和相位檢測锅棕，可以測量兩者之間的相位差。這種相位差包含了載波包絡(luò)相位（CEP）漂移的信息淌山。通過反饋控制系統(tǒng)哲戚，將相位差信息反饋給鎖模激光器的控制電路，調(diào)節(jié)激光器的腔長和其他參數(shù)艾岂，從而穩(wěn)定光學(xué)頻率梳的CEP顺少。這確保了頻率梳的每個梳齒位置的高度穩(wěn)定性和精確性。鎖相環(huán)可以通過將光學(xué)頻率梳的輸出與一個高穩(wěn)定度的參考頻率進行相位比較王浴，并反饋調(diào)節(jié)激光器的腔長和泵浦功率脆炎，可以實現(xiàn)頻率梳的高穩(wěn)定性。
圖6 具備鎖相環(huán)功能的Moku:Pro
Moku相位計由研究人員專為高要求的測量應(yīng)用而設(shè)計氓辣，經(jīng)過優(yōu)化秒裕，可提供精確的相位測量。它采用數(shù)字鎖相環(huán)架構(gòu)钞啸，能夠以優(yōu)于1納弧度的精度測量相位几蜻、頻率和幅度，并具有卓越的動態(tài)范圍体斩、零死區(qū)時間和超越傳統(tǒng)鎖相放大器和頻率計數(shù)器性能的測量精度梭稚。
圖7 相位表功能
綜上所述，光學(xué)頻率梳提供了高度準確和分辨率的頻率標尺絮吵，使得精密光譜測量成為可能弧烤。在化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用蹬敲。通過與原子鐘的結(jié)合暇昂，光學(xué)頻率梳可實現(xiàn)極高精度的時間和頻率標準。這在全qiu定位系統(tǒng)（GPS）伴嗡、通訊同步等方面具有重要意義急波。光學(xué)頻率梳在高速光通信中用于多載波生成，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率瘪校。在量子計算和量子通信中澄暮，光學(xué)頻率梳可以作為多通道量子態(tài)的光源，實現(xiàn)并行量子信息處理渣淤。作為一種革命性的光學(xué)工具赏寇，已經(jīng)在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中展示了其巨大潛力和廣泛應(yīng)用吉嫩。隨著技術(shù)的不斷進步价认，光學(xué)頻率梳有望在未來發(fā)揮更重要的作用，推動各個領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新自娩。如果您對光頻梳系統(tǒng)及其組成部件感興趣用踩，歡迎與我們交流渠退。
了解更多光學(xué)頻率梳詳情，請訪問上海昊量光電的官方網(wǎng)頁：
http://www.wjjzl.com/three-level-227.html
更多詳情請聯(lián)系昊量光電/歡迎直接聯(lián)系昊量光電
關(guān)于昊量光電：
上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商脐彩，產(chǎn)品包括各類激光器碎乃、光電調(diào)制器、光學(xué)測量設(shè)備惠奸、光學(xué)元件等梅誓，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊佛南、生物醫(yī)療梗掰、科學(xué)研究、國防嗅回、量子光學(xué)及穗、生物顯微、物聯(lián)傳感绵载、激光制造等埂陆；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)娃豹，硬件開發(fā)焚虱，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務(wù)懂版。
您可以通過我們昊量光電的官方網(wǎng)站www.wjjzl.com了解更多的產(chǎn)品信息著摔，或直接來電咨詢4006-888-532。
相關(guān)文獻：
[1] Buchholz J. Evaluation of single photon avalanche diode arrays for imaging fluorescence correlation spectroscopy: FPGA-based data readout and fast correlation analysis on CPUs, GPUs and FPGAs[D]. , 2016.
[2] Ulku A C, Bruschini C, Antolovi? I M, et al. A 512× 512 SPAD image sensor with integrated gating for widefield FLIM[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2018, 25(1): 1-12.
[3] Tanuwijaya R S, Liang H, Xi J, et al. Metasurface for programmable quantum algorithms with quantum and classical light[J]. arXiv preprint arXiv:2307.07985, 2023.
[4] Liang H, Ahmed H, Tam W Y, et al. Continuous heralding control of vortex beams using quantum metasurface[J]. Communications Physics, 2023, 6(1): 140.
[5] Ankri R, Harel M, Arbiv U. Time-gated fluorescence lifetime Imaging in the Near infrared Regime; A Comprehensive Study Toward In Vivo Imaging[J]. bioRxiv, 2023: 2023.05. 21.541614.
[6] Chacko N, Motiei M, Suryakant J S, et al. Au nanodyes as enhanced contrast agents in wide field near infrared fluorescence lifetime imaging[J]. Discover Nano, 2024, 19(1): 1-14.
[7] 李師群.2005年諾貝爾物理學(xué)獎——光學(xué)再次被關(guān)注聚焦[J].物理與工程,2006,(01):1-7.
