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什么是光学频率梳?光学频率梳的原理及应用

   频率梳以前所未有的精度测量光学频率,并在光学计量学中具有广泛的应用,例如高精度光谱学、光学原子钟、阿秒科学、天文学以及最近的量子信息处理



  1.光学频率梳是一种光谱不是连续的光源,而是由尖锐、狭窄、等距的激光线组成的离散图案。它可以通过多种机制产生,特别是通过飞秒锁模激光器产生的稳定脉冲序列和固定重复率,或通过非线性介质中的四波混频。前一种技术是由 Theodor Hansch John Hall 2000 年左右开发的,这使得两人分享了 2005 年诺贝尔物理学奖,以表彰他们对精确激光光谱学发展的贡献。贡献包括光学频率梳技术。


  2.这些梳子的功能就像光的统治者,使科学家能够非常精确地测量光的频率,从而彻底改变了基础科学。例如,频率 COMB 对宽带光谱源的承诺取得了重大进展,特别是在用于分子指纹识别的中红外区域 2 - 20 (μm) 和紫外范围 (< 400nm),为探索结构和光谱提供了新的机会。原子和分子的动力学。与光谱学一样,频率梳可以用作精确的光谱尺,以支持传统的激光测距方法。


  3.频率梳源已用于光学时钟以实现精确计时。在时域中,对脉冲包络和载波之间的相对相位进行超短控制使得研究在光周期的一小部分内发生的动力学成为可能,这是阿秒科学的关键。近年来,随着对类地系外行星的搜寻,用激光频率梳校准的高分辨率光谱仪实现了一种新的精确测量径向速度的方法,扩展了天体梳作为天文学中光谱观测工具的用途。


  4.频率梳的大多数应用最初都是使用桌面系统执行的。然而,基于芯片的非线性光子学提供了小型化的解决方案。由于纤芯和波导包层之间的高折射率对比度,光被严格限制在波导中,从而在较宽的泵浦波长范围内提供高光学非线性和强大的色散管理能力。 GaetaLipson Kippenberg 回顾了两种不同寻常的片上工艺,它们可以生成广谱频率梳,在光波导中创建超连续谱,在微谐振器中创建克尔梳。该片上频率梳器件具有结构紧凑、便携性好、稳定性强、可充分集成低功耗器件等特点,有望广泛应用于各种应用环境。


  5.Nathalie PicqueTheodor Hansch总结了原子和分子宽带光谱和频率梳新兴且快速发展的领域的发展。他们的评论重点是频率梳在光谱学中的影响,其中频率梳用于直接激发或询问样本,而不是作为频率标度。他们明确关注数字合成器的选择以及梳状结构的使用技术。光谱频率梳光谱技术的描述,包括直接频率梳光谱、拉姆齐梳光谱、使用色散光谱仪的光谱、基于迈克尔逊的傅立叶变换光谱和双梳光谱(如图:两个光梳发生器示意性地具有不同的、专门设计的线宽)可以击败探测器并生成射频光谱,从而实现高分辨率双梳光谱)。频率梳光谱镜在极紫外和宽带探测以及片上光谱实验室中的应用前景也值得讨论。


  6.量子科学需要日益复杂和大规模的量子资源。由于频率梳能够提供大量的时间和频率模式,从而促进大规模量子系统,频率梳提供了一个有趣的解决方案,并且可能被证明作为实用且可扩展的量子信号和信息处理框架是无价的。 。 Michael Kues 和同事在他们的综述中讨论了通过光子纠缠操作的量子频率梳,首先是锁模量子频率梳,然后是能量-时间纠缠方法。他们讨论了光子集成和光纤通信组件在控制量子态中的应用,以及这些量子微梳在基于光子的量子科学中的潜力。


  直到20世纪70年代末Hans的实验,频率梳才达到目前的形式。从那时起,人们探索了一些新的研究途径。看看未来十年是否通过频率梳理出现新的分支和惊喜将会很有趣。


  延伸阅读:


  一、光学频率梳是一种可用于特定目的的设备,包括分析光频率并将其转换为电信号,以及生成精确且等距的光频率。


  1.这种频率梳可用于各个科学技术领域,例如光钟、高精度测量、天文学等。光梳的主要优点是能够提供精确的频率分析和控制。

  2.由于其频率间隔精确,可用于精确测量和控制光频率。此外,由于其频率是等距分布的,因此它可以用来产生精确的、等距的光学频率,这对于许多科学和技术应用来说非常重要。


  二、光梳也有一些局限性。


  1.它需要精确的光学器件和先进的技术才能正确操作和维护。

  2.由于此类梳子依赖于光学元件之间的精确对准,因此它们可能会受到温度变化或其他环境因素的影响,从而降低性能。


  总体而言,光梳可用于特定目的,无论是分析光频率并将其转换为电信号,还是生成精确的、等间隔的光频率。但它确实有一些局限性,因此在使用时需要考虑这些。

 


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