特约专栏 | 精密之光——光频梳与测量应用

共同作者 | 杨越棠，杨微微

光学频率梳，也称光频梳或光梳，自21世纪初诞生以来迅速引起了广泛关注。2005年，物理学家T. W. Hänsch和 J. L. Hall因为对光学频率梳领域及精密光谱物理学的重要贡献共同获得了诺贝尔物理学奖。光学频率梳在光频段与无线电射频段之间架起了桥梁，使得两者可以直接通过光频梳相互传递。

光频梳最早的应用也是作为光钟的比较和光学频率的测量，用于进一步提高时间基准的精度。如今，光频梳的应用领域已覆盖到原子分子吸收光谱、高精度测距及表面形貌测量、超低噪声微波源的产生、高带宽光通信、天文光谱仪的校准、基本物理常数的精确测定等前沿科学研究和国防工业生产中。

视频1 神奇的光梳^[1]

在早期光学频率测量中，由于光波频率比无线电波频率高5-6个数量级，该如何将微波与光波建立直接的联系是个极其庞大且复杂的课题。研究人员最初采取的方案是通过复杂的频率链技术，并将其溯源到微波原子钟基准上来实现光波频率计量，频率链技术的基本思路如图1所示。这种方案能够利用一系列非线性手段实现光学分频，但由于该系统十分复杂、庞大且昂贵，不能满足真正具有实践意义的应用需求。

图1 频率链技术：连续非线性频率倍增^[2]

锁模激光器输出一系列飞秒脉冲，特点是具有宽光谱和窄脉冲特性，而其早期最引人注目的特点是高峰值功率，更多的是在强场物理、激光加工等领域进行应用。

窄线宽激光器则主要利用其窄线宽特性，提高光学频率测量的稳定性。窄线宽和宽光谱的特性本来是无法直接联系到一起的，因为宽光谱的飞秒脉冲中的关键参数，载波包络偏移频率(f_ceo)，无法被准确地测量和控制，人们也就无法得知飞秒脉冲中的各个梳齿分量的具体频率。

然而，在20世纪90年代中期出现了超连续谱技术，又在90年代末由Ursula Keller等人提出了倍频自参考技术，使得我们可以准确探测载波包络偏移频率，结合精确测定的重复频率f_r，便可得到每一根梳齿的绝对频率。为了提高光学频率梳的短期稳定性，人们又将光频梳的梳齿锁定到窄线宽激光器上，这时的光频梳便同时具有了宽光谱和窄线宽等多种优势。简单来说，飞秒激光器的每根梳齿都可以看成一台高精度的窄线宽激光器，大大增强了其在各种领域的应用价值。

为了形象地理解光学频率梳的特性，可以将每根梳齿都看成一个正弦波，如图2所示，当所有正弦波的初相位相等时，众多初相位等间隔的，且频率差相等的一系列正弦波叠加，可以组成超短脉冲序列，而这个超短脉冲序列的脉冲间隔恰好等于该超短脉冲的重复频率f_r。尽管这些正弦波之间的频率差是相等的，每根梳齿的频率却并非重复频率的整数倍，而是存在一个小的余量，这个余量也被称为载波包络偏移频率f_ceo，通过这两个量也就确定了任意一根序号为n的梳齿频率v_n=nf_r+f_ceo。

图2 光学频率梳时频特性示意图

在时域上对载波包络偏移频率的理解则更为直观。尽管光学频率梳发出的脉冲是等间隔的，但是脉冲的包络定点和载波的波峰之间却存在一定的偏移。对于每个脉冲而言，这个偏移量可能是不同的，但是相邻脉冲的偏移量之差是由腔内色散决定的，为确定值。

为了准确地将所有梳齿的绝对频率确定下来，则需要将f_r和f_ceo分别测定出来。通常可以利用光电探测器直接探测飞秒脉冲序列，得到重复频率f_r或其谐波并将其稳定到微波原子钟上；载波包络偏移频率的探测则稍显复杂，通常需要首先利用特种光纤的非线性效应将原始的脉冲序列进行频谱扩展，得到倍频程的宽光谱，再提取梳齿序号为n的梳齿，将其倍频后与梳齿序号为2n的梳齿做拍，方可得到f_ceo，并将其锁定到微波原子钟上，这种提取偏频的方法被称为“f-2f自参考法”。当然，提取和锁定重频和偏频的方式不是唯一的，但究其本质都是控制这两个自由度的稳定。

早期光学频率梳的实现是基于Kerr透镜效应锁模的钛蓝宝石固体飞秒种子源，尽管其具有很多优势，例如窄线宽、高平均功率和峰值功率输出，但是其缺点也是非常明显的，首先是体积庞大不易搬运，众多的空间器件也使得锁模状态易受到外界环境的干扰，并且其泵浦光到飞秒脉冲的转换效率也不如光纤结构的种子源，为获得高输出功率常常需要大功率的泵浦光。自然地，光频梳种子源的研究逐渐从固体转向更为便捷、小型化的光纤飞秒激光器。

光纤激光器主要的优势在于其体积小且泵浦-输出转换效率高，如果是全光纤的结构则更加稳定，可实现在环境恶劣的情况下长时间的运转，目前已有光纤光频梳在轨运行的报道。此外，光纤的散热特性更好，通过掺杂不同的增益介质，飞秒光纤激光器覆盖波段已经从早期的近红外波段扩展到中红外波段和可见光波段，适用于多领域的复杂需求。

图3 片上光频梳的发展^[3]

半导体锁模激光器的主要原理是通过电学泵浦的方式激发光，利用各种半导体材料作为增益介质，通过外部的射频主动调制或实施反向偏置电压实现主动锁模或被动锁模，产生超短脉冲。

微腔克尔光频梳运转的关键是将输入的单频激光限制在横截面积在微纳尺度的微腔模式中，并结合低吸收损耗的材料平台和高品质的微纳加工工艺实现Q值超过10⁶的微腔，从而通过级联四波混频过程，使得入射的单频激光产生额外的边带调制，而后借助于外扫频光源的调谐并通过复杂的机制形成时域稳定的孤子脉冲。

片上电光梳是一种较新的光源，其产生主要依赖于电光晶体的电光效应，通过对电极向电光晶体波导或微腔施加调制微波，从而通过级联电光调制过程产生边带，进而产生电光梳。基于微腔的电光梳往往具有更宽的展宽，但其重频受限于微腔的谐振条件（自由光谱范围），只可在较小的范围内调谐。相较于基于微腔的电光梳，基于波导的电光梳一般展宽更窄，但其重频可在大范围内通过微波源来调谐。

视频2 微波与光频的连接^[1]

光频梳在测距上的应用于2000年首次实现，其借助了光频梳的频域特性，利用重频及其谐波作为不同量程的“尺子”，将大量程、低分辨力的“尺子”与小量程、高分辨力的“尺子”结合起来，可以实现大范围、高精度的测距。

除此之外，人们又提出了多种代表性的测距方案，其中利用两台微小重频差的双光梳系统实现了兼具高精度、大范围和测量速度快的性能。多种测距方案的提出使得人们可以根据不同的应用场景来选择合适的方式，不同测距方案之间也可以灵活组合来发挥更多的优势。图4展示了光频梳的光钟比较、双光梳测距、面型测量、光谱测量等各类应用场景。

图4 光频梳的精密测量应用.(a)光钟的比较^[4]；(b)双光梳测距^[5]；(c)面型测量^[6]；(d)光谱测量^[7]

基于各种成熟的测距方案，光频梳计量可以进一步扩展至物体位姿多自由度的测量。多自由度测量在紧密卫星编队飞行、航天器交会对接和飞行器制造中都有着非常重要的应用。利用光频梳可以解决传统激光跟踪仪速度慢、需要分时跟踪不同的目标等问题。早期韩国Kim等人结合DOE衍射元件，利用光频梳的高精度测距方法实现了轴向距离、俯仰角和偏摆角的同时测量，近年来本课题组^[8]利用光栅角锥靶标结合双光梳测距，实现了kHz量级刷新速率下距离，俯仰角和偏摆角的同时测量，角度测量稳定性优于0.1″。

基于光频梳的高精度测距特性，可以结合扫描装置完成飞行时间法表面形貌测量，实现比激光雷达更高精度的表面测量系统；同时，基于光频梳的高空间相干性，以及每根梳齿的波长绝对稳定性，还可以结合传统的干涉式全场面型测量方法，利用多波长信息扩展测量量程，解决传统干涉式测量中无法对非连续表面测量的问题。

依赖于光频梳的宽带光谱和高频率稳定性，光频梳最早被应用于气体分子近红外波段的指纹光谱测量。频率的高度稳定性保障了光频梳光谱测量的长时性，因此可以对单次测量进行累积以探测痕量的气体光谱，包括用于人体的呼吸监测，温室气体排放检测等。此外，双光梳光谱测量具有测量速度快的优势，使其可以进一步应用于燃烧气体诊断等高速测量场景。针对各波段测量场景的需求，还可通过非线性倍频以及其他增益材料的引入，将光源的光谱范围扩展至中远红外、可见光等波段，实现范围更广、速度更快、可信性更优的应用。

例如，有望实现更高集成度的Kerr微腔光频梳的稳定性和可靠性还需要进一步提升；半导体光频梳的噪声特性和传统的固体激光器相比仍然相差较多。从应用角度，基于新型光频梳光源的技术提供了许多解决方案，利用高重频的光频梳可以在光通信领域进行多通道的信息编码，其组成的双光梳系统相对于传统的光纤双光梳系统，测量速度可以提高几个数量级，用于新一代激光雷达；结合新技术如光学神经网络或全息技术的新方法也在不断涌现。