光學頻率梳是什么
來源：www.vixito.cn 發(fā)布時間：2023年07月14日
像許多自然科學一樣，激光物理學的核心是精細性。1981年諾貝爾物理學獎得主Arthur Schawlow建議“除了頻率，不要測量任何東西”，光學頻率梳(OFC)因此可以被認為是最準確的頻率尺。今年是激光器誕生60周年，盡管OFC比激光器略年輕，但它在近20年中有了飛速的發(fā)展。
OFC到底是什么?在最初的意義上，它是一個相位穩(wěn)定的鎖模激光器。這種激光器的第一個原型于1964年研制成功，它能產生連續(xù)的極短光脈沖序列，持續(xù)時間可達皮秒或飛秒。雖然激光的作用迫使具有相同能量和頻率的光子發(fā)射，但并不是所有的激光都是單色的，產生超短脈沖需要大量的腔模相干干擾。因此，鎖模激光器包含數(shù)百萬個共振頻率，它們之間有固定的相位關系。然而，也有不同的機制可以產生OFCs，如電光調制或非線性介質中的四波混頻。因此，OFC最好在頻域描述：頻譜由一系列等間隔的離散和銳頻線組成類似梳子的齒(如圖)。
因此，這種光源的光頻分量(或模式)的特征是梳齒之間的頻率分離，通常在微波范圍內，并且有一個公共的偏移量，它完全表達了OFC的模式。這意味著微波頻率完全定義了光學頻率。因此，OFC直接將太赫茲范圍的光頻率轉換為兆赫到千兆赫范圍的微波頻率。由于這一驚人的特性，OFC為光學原子時鐘的開發(fā)提供了一種解決方案，在1999年成為了研究熱點。
盡管人們早就認識到，基于原子的光躍遷所預測的時鐘精度會有所提高，但這類光信號的測量卻面臨一個根本性的問題，因為光的振蕩速度比最先進的電子設備快100萬倍。因此，由于現(xiàn)有測量技術的準確性有限，潛在的增益就喪失了。OFC利用“齒輪”，通過梳狀的有規(guī)則間隔的齒將光時鐘的蕩除以齒數(shù)（通常在105到106之間）將信號傳輸?shù)轿⒉ㄓ虻妮^低頻率。這些振蕩可以用標準的微波技術來計算。因此，光學時鐘現(xiàn)在允許的保真度優(yōu)于1/10^18，比微波時鐘提高了兩個數(shù)量級。精細分光鏡的這一基本進步為Theodor H?nsch 和 John Hall贏得了2005年諾貝爾物理學獎。
OFCs作為頻率控制有著驚人的性能，其19位的準確性可能不是完全顯而易見，但該工具也有著廣泛的應用價值，例如作為檢測化學物質的高速光通信光源，或用于測量距離。OFC不僅在其應用中不斷發(fā)展，而且作為一個系統(tǒng)，從桌面設計轉向更小、更容易使用的集成結構。盡管仍處于研究階段，但這種芯片大小的設備展示了商業(yè)應用所需的緊湊性、穩(wěn)健性和簡單性。
OFC到底是什么?在最初的意義上，它是一個相位穩(wěn)定的鎖模激光器。這種激光器的第一個原型于1964年研制成功，它能產生連續(xù)的極短光脈沖序列，持續(xù)時間可達皮秒或飛秒。雖然激光的作用迫使具有相同能量和頻率的光子發(fā)射，但并不是所有的激光都是單色的，產生超短脈沖需要大量的腔模相干干擾。因此，鎖模激光器包含數(shù)百萬個共振頻率，它們之間有固定的相位關系。然而，也有不同的機制可以產生OFCs，如電光調制或非線性介質中的四波混頻。因此，OFC最好在頻域描述：頻譜由一系列等間隔的離散和銳頻線組成類似梳子的齒(如圖)。
因此，這種光源的光頻分量(或模式)的特征是梳齒之間的頻率分離，通常在微波范圍內，并且有一個公共的偏移量，它完全表達了OFC的模式。這意味著微波頻率完全定義了光學頻率。因此，OFC直接將太赫茲范圍的光頻率轉換為兆赫到千兆赫范圍的微波頻率。由于這一驚人的特性，OFC為光學原子時鐘的開發(fā)提供了一種解決方案，在1999年成為了研究熱點。
盡管人們早就認識到，基于原子的光躍遷所預測的時鐘精度會有所提高，但這類光信號的測量卻面臨一個根本性的問題，因為光的振蕩速度比最先進的電子設備快100萬倍。因此，由于現(xiàn)有測量技術的準確性有限，潛在的增益就喪失了。OFC利用“齒輪”，通過梳狀的有規(guī)則間隔的齒將光時鐘的蕩除以齒數(shù)（通常在105到106之間）將信號傳輸?shù)轿⒉ㄓ虻妮^低頻率。這些振蕩可以用標準的微波技術來計算。因此，光學時鐘現(xiàn)在允許的保真度優(yōu)于1/10^18，比微波時鐘提高了兩個數(shù)量級。精細分光鏡的這一基本進步為Theodor H?nsch 和 John Hall贏得了2005年諾貝爾物理學獎。
OFCs作為頻率控制有著驚人的性能，其19位的準確性可能不是完全顯而易見，但該工具也有著廣泛的應用價值，例如作為檢測化學物質的高速光通信光源，或用于測量距離。OFC不僅在其應用中不斷發(fā)展，而且作為一個系統(tǒng)，從桌面設計轉向更小、更容易使用的集成結構。盡管仍處于研究階段，但這種芯片大小的設備展示了商業(yè)應用所需的緊湊性、穩(wěn)健性和簡單性。
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