原創(chuàng) 長(zhǎng)光所Light中心 中國(guó)光學(xué)

封面圖：光頻梳

圖片來(lái)源： Image courtesy of Second Bay Studios/Harvard SEAS

撰稿 | 戴茂林

光學(xué)頻率梳是指在頻譜上由一系列均勻間隔的頻率分量組成的光譜，這種光譜可以由鎖模激光器，諧振腔或電光調(diào)制器等方式產(chǎn)生。其中由電光調(diào)制器產(chǎn)生的光頻梳擁有高重復(fù)頻率、內(nèi)在互相干以及較高功率等特點(diǎn)，其在基礎(chǔ)物理、光譜學(xué)或儀器校準(zhǔn)中應(yīng)用廣泛，近年來(lái)引起越來(lái)越多研究人員的興趣。

近日，法國(guó)勃根第大學(xué)的Alexandre Parriaux等人在Advances in Optics and Photonics 期刊上發(fā)表綜述論文，系統(tǒng)介紹了電光調(diào)制產(chǎn)生光頻梳的最新研究進(jìn)展以及應(yīng)用：包括光頻梳的介紹，電光調(diào)制產(chǎn)生光頻梳的方法以及特點(diǎn)，最后詳細(xì)的列舉了電光調(diào)制光頻梳的應(yīng)用場(chǎng)景，包括精密光譜、雙光梳干涉、儀器校準(zhǔn)和任意波形發(fā)生等方面的應(yīng)用，討論了不同應(yīng)用其背后的原理。最后，作者給出了對(duì)電光調(diào)制光頻梳技術(shù)的展望。

01

背景

在60年前的5月份，Maiman博士發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器。四年之后，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的哈格羅夫、福克和波拉克率先報(bào)導(dǎo)了在氦氖激光器中實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)鎖模，這種鎖模激光在的光譜在時(shí)域上表現(xiàn)為脈沖發(fā)射，在頻域上則是表現(xiàn)出一系列離散且等距的短線，很類似我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖嶙樱谑俏覀儼堰@種光譜稱之為“光學(xué)頻率梳”，簡(jiǎn)稱“光頻梳”。

在光頻梳中，每一根梳齒的頻率表達(dá)式為

，其中

是光梳縱模相對(duì)于零點(diǎn)頻率的偏移量，n是整數(shù)，

是光梳縱模的頻率間隔，即重復(fù)頻率。由于光頻梳的良好應(yīng)用前景，2005年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了對(duì)光頻梳技術(shù)作出開創(chuàng)性工作的H?nsch 和Hall，從此，光頻梳的發(fā)展到了一個(gè)嶄新的階段。由于不同的應(yīng)用對(duì)光頻梳有著不同的要求，比如功率、線間距和中心波長(zhǎng)等，這就催生了需要使用不同的實(shí)驗(yàn)手段來(lái)產(chǎn)生光頻梳，比如鎖模激光、微型諧振腔和電光調(diào)制器。

圖1 光頻梳的時(shí)域譜圖和頻域譜圖

圖源：Electro-optic frequency combs

自從光頻梳被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，大部分光頻梳的產(chǎn)生還是利用鎖模激光器。在鎖模激光器中，利用一個(gè)往返時(shí)間為τ的空腔來(lái)固定縱模之間的相位關(guān)系，從而來(lái)確定激光的重復(fù)頻率，一般能從兆赫茲（MHz）到千兆赫茲（GHz）。

而微型諧振腔產(chǎn)生光頻梳是基于非線性效應(yīng)的，往返時(shí)間是由微腔的長(zhǎng)度決定的，由于微腔的長(zhǎng)度一般小于1mm，由微腔產(chǎn)生的光頻梳重復(fù)頻率一般是10 千兆赫茲 到 1 太赫茲。常見的微腔有三種，微管、微球和微環(huán)。利用光纖中的非線性效應(yīng)，如布里淵散射或者四波混頻，與微腔結(jié)合，也可以產(chǎn)生幾十納米范圍的光頻梳。此外，利用一些聲光調(diào)制器，也可以產(chǎn)生光頻梳。

02

電光調(diào)制及電光調(diào)制光頻梳

電光效應(yīng)指的是，在外加電場(chǎng)的情況下，材料的折射率發(fā)生改變的效應(yīng)。電光效應(yīng)主要有兩種，一種是一次電光效應(yīng)，也稱波克爾斯效應(yīng)，指的是材料折射率隨著外加電場(chǎng)呈線性變化關(guān)系。另一種是二次電光效應(yīng)，也稱克爾效應(yīng)，此時(shí)材料折射率的變化與電場(chǎng)的平方成正比。大多數(shù)電光調(diào)制器是基于波克爾斯效應(yīng)的。利用電光調(diào)制器，我們能對(duì)入射光的相位進(jìn)行調(diào)制，在相位調(diào)制的基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換，也可以對(duì)光的強(qiáng)度或者偏振進(jìn)行調(diào)制。

通過(guò)電光調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生光頻梳，有幾種不同的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，如圖2所示，(a)(b)(c)都是單調(diào)制器結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是產(chǎn)生的光頻梳線寬收到電光帶寬的限制。如果需要產(chǎn)生高重復(fù)頻率的光頻梳，就需要兩個(gè)或多個(gè)調(diào)制器級(jí)聯(lián)，如圖2(d)(e)所示。最后一種產(chǎn)生光頻梳的結(jié)構(gòu)叫做電光諧振腔，是將電光調(diào)制器放置在諧振腔內(nèi)，或這個(gè)諧振腔本身就能產(chǎn)生電光效應(yīng)，如圖3所示。

圖2 幾種基于電光調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生光頻梳的實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖源：Electro-optic frequency combs

圖3 幾種電光腔的結(jié)構(gòu)

圖源：Electro-optic frequency combs

03

電光調(diào)制光頻梳特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)一

可調(diào)諧性

由于光源是可調(diào)諧寬譜激光，并且電光調(diào)制器也有一定的工作頻率帶寬，所以電光調(diào)制光頻梳也是頻率可調(diào)諧的。除了頻率可調(diào)，由于調(diào)制器的波形產(chǎn)生是可調(diào)的，所以由此產(chǎn)生的光頻梳的重復(fù)頻率也是可調(diào)的。這是鎖模激光器和微型諧振腔產(chǎn)生的光頻梳所不具有的優(yōu)勢(shì)。

優(yōu)點(diǎn)二

重復(fù)頻率

重復(fù)頻率不只是靈活可調(diào)，而且不需要改動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置就能實(shí)現(xiàn)。電光調(diào)制光頻梳的線寬大致相當(dāng)于調(diào)制帶寬，一般商用的電光調(diào)制器帶寬為40GHz，電光調(diào)制光頻梳重復(fù)頻率能超過(guò)除了微型諧振腔（能達(dá)到100GHz）外其他所有方法產(chǎn)生的光頻梳帶寬。

優(yōu)點(diǎn)三

光譜整形

與其他途徑產(chǎn)生的光梳相比，電光調(diào)制光頻梳的光盤形狀由多個(gè)自由度來(lái)決定，比如射頻信號(hào)、偏置電壓、入射偏振等，可以用這些自由度來(lái)控制不同梳齒的強(qiáng)度，使其達(dá)到光譜整形的目的。

04

電光調(diào)制光頻梳的應(yīng)用

電光調(diào)制光頻梳在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可分為單梳光譜和雙梳光譜。單梳光譜的線間距很窄，所以能夠達(dá)到很高的精度。同時(shí)，相比于鎖模激光器產(chǎn)生的光頻梳，電光調(diào)制光頻梳的裝置體積很小，并且可調(diào)諧性更好。而雙梳光譜儀是由兩束重復(fù)頻率略有不同的相干單光梳干涉而產(chǎn)生的，這個(gè)重復(fù)頻率之差就是新的干涉光頻梳譜的線間距。光頻梳技術(shù)，能夠在光學(xué)成像、測(cè)距、測(cè)厚、儀器校準(zhǔn)、任意波形光譜整形、射頻光子學(xué)、遠(yuǎn)程通信、光學(xué)隱身等等方面大有可為。

圖4 光學(xué)頻率梳的應(yīng)用場(chǎng)景：以測(cè)量高速子彈輪廓為例

圖源：Christian Grupe, Philipp Trocha, KIT

05

總結(jié)展望

但是對(duì)于電光調(diào)制光頻梳而言，未來(lái)工作應(yīng)重點(diǎn)放在提高電光調(diào)制器帶寬，從而獲得更好的線間距和更短的脈沖，我們或許可以從電光調(diào)制材料或者一些其他的新技術(shù)入手。同時(shí)，我們也可以更多的拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域，將光頻梳的應(yīng)用潛力充分發(fā)揮出來(lái)。

文章信息：

相關(guān)成果以“ Electro-optic frequency combs ”為題發(fā)表在 Advances in Optics and Photonics 。

論文地址：

https://doi.org/10.1364/AOP.382052

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原標(biāo)題：《電光調(diào)制光頻梳》

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