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光学频率梳是什么

2020年06月19日 镜头知识 70 views

        像许多自然科学一样,激光物理学的核心是精确性。1981年诺贝尔物理学奖得主Arthur Schawlow建议“除了频率,不要测量任何东西”,光学频率梳(OFC)因此可以被认为是最准确的频率尺。今年是激光器诞生60周年,尽管OFC比激光器略年轻,但它在近20年中有了飞速的发展。

       OFC到底是什么?在最初的意义上,它是一个相位稳定的锁模激光器。这种激光器的第一个原型于1964年研制成功,它能产生连续的极短光脉冲序列,持续时间可达皮秒或飞秒。虽然激光的作用迫使具有相同能量和频率的光子发射,但并不是所有的激光都是单色的,产生超短脉冲需要大量的腔模相干干扰。因此,锁模激光器包含数百万个共振频率,它们之间有固定的相位关系。然而,也有不同的机制可以产生OFCs,如电光调制或非线性介质中的四波混频。因此,OFC最好在频域描述:频谱由一系列等间隔的离散和锐频线组成类似梳子的齿(如图)。

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因此,这种光源的光频分量(或模式)的特征是梳齿之间的频率分离,通常在微波范围内,并且有一个公共的偏移量,它完全表达了OFC的模式。这意味着微波频率完全定义了光学频率。因此,OFC直接将太赫兹范围的光频率转换为兆赫到千兆赫范围的微波频率。由于这一惊人的特性,OFC为光学原子时钟的开发提供了一种解决方案,在1999年成为了研究热点。

       尽管人们早就认识到,基于原子的光跃迁所预测的时钟精度会有所提高,但这类光信号的测量却面临一个根本性的问题,因为光的振荡速度比最先进的电子设备快100万倍。因此,由于现有测量技术的准确性有限,潜在的增益就丧失了。OFC利用“齿轮”,通过梳状的有规则间隔的齿将光时钟的荡除以齿数(通常在105到106之间)将信号传输到微波域的较低频率。这些振荡可以用标准的微波技术来计算。因此,光学时钟现在允许的保真度优于1/10^18,比微波时钟提高了两个数量级。精确分光镜的这一基本进步为Theodor Hänsch 和 John Hall赢得了2005年诺贝尔物理学奖。

       OFCs作为频率控制有着惊人的性能,其19位的准确性可能不是完全显而易见,但该工具也有着广泛的应用价值,例如作为检测化学物质的高速光通信光源,或用于测量距离。OFC不仅在其应用中不断发展,而且作为一个系统,从桌面设计转向更小、更容易使用的集成结构。尽管仍处于研究阶段,但这种芯片大小的设备展示了商业应用所需的紧凑性、稳健性和简单性。


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