光频梳在精密测量中的应用

关键词：光频梳；精密计量；精密吸收光谱；超快光谱

0 引言 

在光频梳出现之前，谐波频率链可实现标准不确定度优于1KHZ的绝对光学频率测量。但复杂的结构和高昂的成本限制了此系统的广泛应用。如何能简单有效地精确测量光学频率成为激光精密测量领域，乃至国际计量界的难题。早在1978年，Eckstein J.N.等人曾提出利用锁模激光的宽带相干特性测量激光频率的设想。这一想法在20年后才最终得以实现：锁模激光器可以实现其纵模频率间隔等于脉冲的重复频率，且相干带宽内一致性可以达到10^-16量级。至此，在频率域内，一把相对于频率零点浮动的“尺子”便呈现出来。然而，“尺子”的浮动依然无法实现简单、直接的绝对光学频率测量。2000年，JonesD.J.等人利用f-2f自参考锁定方法将这把浮动的尺子完全固定下来，至此，光频梳实现了射频频率与光学频率之间的相干传递。Hansch T.W.和Hall J.L.也因在光频梳方面的卓越贡献获得了2005年诺贝尔物理学奖。

虽然光频梳概念的提出最初仅为了精确测定光学频率，但其频率上线性数学关系与相干传递为现阶段的精密激光测量技术带来了全方位的提升。在国内，本人领导的干涉与光谱课题组较早地开展光频梳在精密测量中的应用研究并取得了一些研究成果。本文结合近10年的研究积累，综述该研究领域的现状及进展。

1 绝对光学频率精确标定 

光频梳是由上万根频谱域的梳齿所组成的，每一根梳齿的频率表达式为：

  (1)

式中:n为纵模序数，frep是光频梳纵模的频率间隔，即重复频率。fceo是光频梳纵模相对于频率零点的偏差，即偏置频率。frep和fceo均为射频频率。因此，光频梳的出现首先解决了直接精确获得光学频率的难题。光频梳的纵模充当了“频率测尺”的刻度，待测激光与光频梳的拍频则可精确给出相对于“频率刻度”的偏差，如图1所示。

图1.利用光频梳实现精确绝对光学频率标定

图2.光频梳纵模间拍频合成波长产生原理

图3.脉冲对准时间飞行法绝对距离测量

......

８结论 

光频梳作为微波频率和光学频率的桥梁，可使激光精密计量与测试技术直接溯源至时间频率基准。由于优异的时间频率特性，光频梳在激光频率测定、绝对距离测量、精密吸收光谱探测、高速非线性光谱与成像和高精度时间频率传递等方面展现出无可比拟的优势。不只如此，光频梳在阿秒科学、低噪声微波产生、天文光谱观测、光钟、无标记显微成像等前沿领域已发挥出至关重要的作用，必将为测量与光谱技术的发展带来新跨越。作为一种具有优秀时频特性的飞秒激光器，光频梳的潜在应用还将得到不断的拓展；随着光频梳的发展与应用在国际研究中的日趋广泛，以及越来越多的国内研究小组开展相关工作，相信光频梳继续推进对精密世界以及高速动态过程的认识。