飞秒激光光学频率梳

飞秒激光光学频率梳，简称飞秒光梳，是一种脉冲间隔在飞秒级别的脉冲光。它在时域上表现为一系列时间宽度在飞秒级别的超短脉冲；在频域上表现为一系列等频间隔、位置固定、且具有极宽光谱范围的单色谱线。

定义

飞秒光梳是一种特殊的飞秒脉冲光，它在时域上是一系列时间宽度在飞秒级别的超短脉冲，在频域上是一系列等频间隔、位置固定、且具有极宽光谱范围的单色谱线。这种光谱的形状就像一把“梳状尺”，因此被称作“飞秒光梳”。飞秒光梳实现了其频率覆盖范围内的所有波长直接锁定和溯源至微波频率基准，建立起了光波频率和微波频率的直接联系，并且使得米的定义可以在常规的计量条件下得以复现。

发展

飞秒激光光学频率梳

2005年，三名科学家由于在与光学相关的研究领域所做出的杰出成就而获诺贝尔物理学奖的殊荣，其中美国哈佛大学的格劳伯教授因对“光相干性的量子理论”的贡献而分享该奖的一半，另一半由美国国家标准技术研究院的霍尔(J.L.Hall)教授和德国马普量子光学所的亨施(T.W.Hänsch)教授共同获得，以奖励他俩对“超精细激光光谱学，包括光学频率梳技术”的贡献。

1978年，美国斯坦福大学的德国科学家T. Hänsch首先提出了“飞秒激光光学频率”的概念，并提出使用超短脉冲激光作为连接微波频率和光波频率的桥梁的想法。

1999年，德国马普（Max-Planck）实验室的T. Hänsch等人，实现了光波频率和微波频率相连，实现了基于光子晶体光纤F-to-2F自参考锁模的飞秒光梳，并实现了铯原子D1谱线的频率测量。

性质

飞秒激光光学频率梳

飞秒光梳是由锁模激光器产生，时域上表现为一系列时间宽度在飞秒级别的脉冲；频域上表现为一系列等频间隔、位置固定、具有极宽光谱范围的单色谱线（纵模）。设时域上真空中两个相邻脉冲的间距为l，则脉冲重复频率f和脉冲间距之间的关系可以表示为f=c/l，其中c是真空中的光速；频域上设谱线的重复周期为T，则重复频率与重复周期为反比关系f=1/T。

飞秒激光光学频率梳

相移特性：对于飞秒级别的超短脉冲激光而言，在每个脉冲时间内载波波长的激光所能震荡的时间非常短，不足几个光周期，且由于空气介质（或其他色散介质）的存在，飞秒光梳的群速度和相速度之 间会产生差异，因此载波与脉冲包络之间的相位关系会发生变化。激光在激光器的腔内每振荡一次，其载波（carrier）和脉冲包络（envelope）就会产生一个相位偏移延迟Δφ这种时域上的相位偏移现象在频域里表现为所有纵模分量都沿着频率轴移动一个偏移频率，该频率也称初始偏移频率或零频率f。

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。

秒的新定义

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。