光学频率梳:电磁频谱的“度量衡”

光学频率梳是当今激光与时间频率学科的前沿技术。它有效地链接了光学频率与微波频率,在过去二十年间推动了精密光谱学、光学测量技术、量子精密操控、光钟等重要技术的发展。物理学家John L. Hall和Theodor W. Hänsch因为在激光精密光谱学包括光频梳技术领域取得的成就,在2005年荣获诺贝尔物理学奖
近日,Science期刊以“Optical frequency combs: Coherently uniting the electromagnetic spectrum”为题回顾了光学频率梳的历史背景、技术进展、具体装置以及相关应用。
这项综述由美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学的教授Scott A. Diddams,加州理工学院的教授Kerry Vahala以及德国马普量子光学所的教授ThomasUdem共同完成。ScottA. Diddams是第一作者,以上三位均为通讯作者。

相干电磁辐射的产生与控制,例如射频的电子振荡器、光频的激光器,在过去一个世纪对于人类社会有着前所未有的影响。组网完成的北斗导航系统中,精确的授时离不开电磁辐射的精准控制;无论是无线的5G通讯或者有线的光纤通信,现代通信技术都需要以电磁辐射为载波进行相互联通。  以上先进科技的发展,离不开对于射频和光频辐射理论上深刻的理解以及实际上对它们产生与控制的精细操控。
然而,令人意外的是,在二十年前,射频和光频的技术领域保持相互独立,宛若一条沟壑阻隔两边。虽然光可以被射频调制,射频信号也可以通过光信号解调出来,但是两者之间缺少一种简单的相干关系。在射频领域成熟的频率合成与控制的技术,正是缺少这样一种转换的关系,在光频的应用似乎遥不可及。如何巧妙地将二者链接,充分地开发光学在时间频率标准、计量学以及基础科学的潜力,路漫漫其修远兮,科研工作者一直在求索答案。
光学频率梳就是这真理之门的钥匙!随着飞秒激光技术、非线性光学的飞速发展,以光学频率梳为代表精密频率测量技术应运而起,一举解决这个难题。
光学频率梳技术上源自激光锁模技术,具体体现在对锁模脉冲载波包络相位频率以及重复频率的同时锁定。这种锁定的脉冲序列在时域看是一串时间间隔相同的脉冲链,在频域上看是一串离散的具有相同频率间隔的谱线。形状类似于我们日常使用的梳子,所以称之为光学频率梳。光学频率梳的谱线或者梳齿可以与基于射频信号的原子钟锁定在一起,获得更高精度的光学频率时钟基准。用一种简单而优雅的方式,光学频率梳提供了光频和射频的双向转换关系,给相关的光谱、测量、时间标准领域带来前所未有的可能。

本文梳理了光学频率梳出现的背景,相干电磁频谱与其发展过程,如图3所示。1887年赫兹开始人工产生射频脉冲串,开启了电子学的研究大门,后续几十年的研究,通过基于真空管的振荡器产生和控制连续射频波。一直到现在,射频辐射的研究仍在不断迭代,改变世界。而相干光频的研究直到1960年激光器的诞生才开始。起步虽晚,但是发展迅猛,激光技术和工艺不断推陈出新,1965年光纤的提出和随后的工业化革新了通信的方式,1967锁模激光器的出现让激光脉冲超快超强,1985年啁啾脉冲放大技术的出现让超高峰值功率脉冲成为可能。2000年以后,电子学和光子学的边界开始模糊,学科开始交叉,光学频率梳的出现让频率可以双向转换,众多技术和应用如雨后春笋般出现。具体时间线与技术,可以参考图。

相干电磁频谱发展时间轴 图源:Science 369, 267 (2020) Fig.1

相干电磁频谱发展时间轴 图源:Science 369, 267 (2020) Fig.1

电磁频谱时间线梳理 图源:何泊衢博士,撰稿人自制

电磁频谱时间线梳理 图源:何泊衢博士,撰稿人自制

其次回顾了光学频率合成的发展,展示了光梳形成的方式,包括基于锁模激光器的光梳、电光学频率梳以及微环频率梳。
分析了三种不同机理产生的光学频率梳的优势以及展望。
最后作者总结了光学频率梳的相关应用,如下图所示。自下而上地看,技术储备衍生了相关应用;自上而下地看,应用的需求反过来驱动了技术的革新。基于锁模激光器的光梳、电光学频率梳以及微环频率梳的技术核心都是基于自参考频率梳,随后的技术分支又涉及到载波包络相位控制、频率合成以及光频测量,以上的技术分别又对应着阿秒光学、光梳光谱、气体痕量检测、地外行星探索、任意光波形产生、激光雷达、光钟等众多应用。也可以参考思维导图(撰稿人编译整理)。

光学频率梳的应用科技树 图源:Science 369, 267 (2020) Fig.6

光学频率梳的应用科技树 图源:Science 369, 267 (2020) Fig.6

光学频率梳的技术与应用的思维导图 图源:何泊衢博士,撰稿人自制

光学频率梳的技术与应用的思维导图 图源:何泊衢博士,撰稿人自制

自从光学频率梳出现的二十年以来,全新的科学与技术领域在蓬勃发展。新的应用层出不穷,以前所未有的速度分享着电子学与光子学共振的红利。光学频率梳技术可以运用在光钟上,它超精密的不确定性可以达到第19位小数点,对于测试相对论、量子理论以及现存可以理解的物理学,都是强有力的工具。另外,光梳可以将这种超乎寻常的精度传递给众多平行的光谱,产生最低噪声的微波以及少周期的阿秒脉冲,甚至可以帮助天文学家寻找类地行星。随着光学频率梳应用的扩展,新的技术也在出现,例如不使用锁模技术的基于集成光子以及微环的光梳形成方法。
可以确定的是,一旦相干电磁频谱通过光学频率梳进行有效衡量,未来光频与射频的鸿沟就不复存在,天堑变通途! [中科院长春光机所Light学术出版中心 撰稿华东师范大学 何泊衢 博士]

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