光频梳技术

OpticalFrequencyCombOFC(光频梳)科学家追求更精确的时间标准，一种称为「光频梳」的新型激光出现，实现了这个可能。简单來讲，光频梳就是利用锁模激光产生超短光脉冲，特色是相邻脉冲波时间间隔一模一样，清大物理系教授施宙聪表示，光频梳就像是一把拥有精密刻度的尺或定时器，只不过一般的仪器以毫米、毫秒为单位，而光频梳在长度的测量上精确胜过奈米，时间则胜过飞秒、甚至达到阿秒。2019/12/3132005年诺贝尔物理学奖由美、德三个科学家共同获得，分享共约130万美元1、美国人：约翰·霍尔，罗伊·格劳伯2、德国人：特奥多尔·亨施●罗伊·格劳伯得一半，成就是对“光粒子的特性进行了理论描述——光学相干的量子理论”●约翰·霍尔，特奥多尔·亨施得另外一半，成就是对“开发了基于激光的高精度光谱技术，即以极高的精度确定原子和分子的光线颜色——光频梳技术，其以15位的精确度来衡量光频率成为可能；”●他们成就“可以构建非常鲜艳色彩（单色）的激光，可以开发高精度的时钟，可以改进全球定位系统”。3、瑞典国王于10月10日在斯德哥尔摩颁奖。4、诺贝尔的遗嘱：给人类带来最大的利益，在物理学领域中取得过最重要的发现或发明。2007/12/074“Fortheircontributionstothedevelopmentoflaser-basedprecisionspectroscopy,includingtheopticalfrequencycombtechnique”J.L.Hall,K.T.Udem,R.DreverandT.W.Hansch•Summer2005主要内容•认识光频梳•光频梳的结构和工作原理•几种常见光频梳•光频梳技术的价值及应用一.认识光频梳梳子特点：离散的，等间距的光频梳定义：光频“梳”是一些离散的、等间距频率的像梳子一样的形状的光谱。λ=cfRuler在光学领域，光学频率梳，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。在直线上标记一系列标准的长度，比如毫米，就可以用来测量其它物体的长度，如果尺上这些标准间隔代表的不是距离，而是频率，每一点都代表不同的频率值，那么就可以用这把尺子来测量频率。光（或电磁波）中有各个不同的频率分量（不同颜色的光的振荡频率都不同），每一分量都有固定的频率，如果把这些分量都标记到一把“尺”上，就可以测量其它物体发出的光的频率了！这就是所谓的“光学频率梳”！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。Ⅱ.光频梳的工作原理1.光频梳光频梳系统为频域上产生等间隔光频齿（combline）,其每一根光频齿的频率如下式表示：其中，frep为锁模激光器激光脉冲的重复频率，而δ为偏差频率，n为整数。光频梳最大的功能在于可将难以精确测量的未知光频fu以下式表示：fbeat为fu和第n根光梳齿的拍频，其必小于frep。2.脉冲重复率和偏差频率飞秒锁模激光器的锁模雷射在时域中的表现为周期为1∕frep的光脉冲序列，如图（1）所示，实线表光脉冲序列的载波，而虚线表周期性脉冲的波包，ΔФ为脉冲波包与载波绕行共振腔一次所产生的相位差，其成因为色散造成载波相速度和群速度的不一致。（1）激光脉冲序列时域场图分析此光脉冲序列，对其时域场进行傅里叶转换：单一脉冲场的数学表达式如下：（1）其中，E(t)表波包的振幅，表示频率为的载波。基于（1）式，光脉冲序列可以下式表示：（2）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，()()citEtEtecitecc(t-n)ˆ()()inEtEtne（）+n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（），并将其以非线性晶体倍频得到（），再将其与超连续光谱中高频部分（）拍频，取得拍频信号（），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。nrepfnf222nrepfnf22nrepfnf22nnff（3）自参考偏差频率量测示意图三.几种常见的光频梳Ⅰ.基于飞秒钛宝石激光的光学频率梳Ⅱ.基于光纤飞秒激光器的光学频率梳Ⅲ.基于腔外共振增强腔的紫外频率梳Ⅳ.基于微腔激光器的新型光频梳工业技术研究院的光频梳测量设备基于光纤飞秒激光器的光学频率梳Cost5000k$Cost400k$工研院量测中心彭锦龙博士基于飞秒钛宝石激光的光学频率梳四.光频梳技术的应用Ⅰ.基于光频梳的秒的新定义标准Ⅱ.光学频率梳测量光的颜色和频率Ⅲ.光梳技术其他的一些应用Ⅰ.基于光频梳的秒的新定义标准稳定的光学频率梳发明以后，精确测量连续波激光器的频率就变得轻而易举了。像倍频链一样，基于光梳的频率测量仍然需要以铯钟作为标准。首先，必须测量光梳的零点偏移频率和光梳梳齿的频率间隔。有了这两个数据，我们就能计算出所有梳齿对应的频率。接下来，就要把待测激光与光梳的光混合在一起，测量激光与最接近它的梳齿产生的拍频频率，也就是两者频率差。这三个频率都属于微波频段，可以用铯钟非常精确的进行测定。至此，光梳的这些优点使得时间标准从微波的向光学的转变。Ⅱ.光学频率梳测量光的颜色和频率光频梳技术，是基于激光的高精度光谱技术，即以极高的精度确定原子和分子的光线颜色，其以频率成为可能；光频技术的成就，可以构建非常鲜艳色彩（单色）的激光，可以开发高精度的时钟，可以改进全球定位系统。Ⅲ.光梳技术其他的一些应用•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。医生可以通过检测病人呼出的气体的化学成分来诊断疾病。•超级激光器利用光学频率梳，许多激光器输出的激光脉冲可以合称为单束光脉冲序列。合成激光的相干性极好，就像是同一个激光器发出来的一样。这种技术将来有望对从无线电波到X射线的电磁波谱实现相干控制。•长途通信使单根光纤传输的信号量增加好几个数量级，所需的只是一把光梳，各通道之间的干扰也将减少，尤其是安全通信，将从光梳的运用上获得许多好处。•激光雷达激光雷达用激光来测定远距离目标的位置、速度和性质。用光学频率梳产生的特定波形的激光，有望将雷达的灵敏度和探测范围提高几个数量级。SomeOFCResearchesAttosecondpulseformation孔庆昌(中研院原分所)、潘犀灵(清华大学)DirectOFCspectroscopy郑王曜(中研院原分所)PrecisionspectroscopyusingOFC崔祥辰、蔡锦俊(成功大学)NIST（美国国家标准技术研究所）