中红外光学频率梳的进展与应用

MEMS 2022-05-27 00:00 Posted on 上海

光学频率梳是一种宽谱的相干光源，由一系列等频率间隔的离散谱线组成，具有超高的时频精度。自诞生以来，光学频率梳为精密光谱学、光学测量、相干光通信、光时钟等多种应用的发展带来了革命性的变化。近年来，研究人员通过新型激光增益介质、非线性频率转换和微谐振腔等技术将频率梳扩展到中红外光谱区域（2~20μm），进一步扩大了光频梳的应用范围。

目前，基于锁模激光器（MLL）、差频产生（DFG）、光学参量振荡（OPO）、超连续谱产生（SC）、量子级联激光器（QCL）和克尔微腔的中红外光频率梳（MIR-OFC）已经被陆续报道。中红外光频率梳技术的发展为分子物质结构和动力学的光谱分析提供了强大的工具，显著提高了“分子指纹”的测试精度、灵敏度和光谱带宽，使得在大动态范围内精确研究分子样品的组成变化成为可能，有望推动分子科学相关的各个领域的发展。

据麦姆斯咨询报道，电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室姚佰承教授课题组在《红外与激光工程》期刊上发表了以“中红外光学频率梳：进展与应用”为主题的综述文章。其他通讯作者还包括周恒副教授和谭腾博士。姚佰承教授主要从事光信息器件的研究工作，周恒副教授主要从事集成光纤通信芯的研究工作，谭腾博士主要从事基于微腔的光学频率梳激发和调控的研究工作。

频率梳脉冲序列的时频表示，展示了离散的频率梳线结构

这项研究全面介绍了中红外光频率梳的产生机制，重点介绍了中红外光频率梳技术的最新研究现状及其应用进展。

传统的光频梳产生方法主要分为三类：基于锁模激光器、基于微腔克尔效应以及基于电光调制产生。利用锁模机制在中红外生成光频梳的原理与近红外类似，即具有宽增益带的激光活性介质在强泵浦作用下实现粒子数反转，通过在谐振腔中插入可饱和吸收材料或器件，可以对腔内光场进行调控，实现超短脉冲的建立并经多次循环压缩出射超短脉冲，其与近红外光频梳最大的区别在于增益介质的选取。

基于锁模激光器的中红外光频率梳

基于差频产生（DFG）中红外光频率梳是目前一种主流的激发方式。与基于DFG的非线性频率转换过程类似的是，基于光参量振荡（OPO）产生中红外光频率同样基于非线性晶体中的二阶非线性效应。

基于DFG中红外光频率梳

基于OPO产生中红外光频率梳

中红外光频率梳最初的应用集中在分子的精密光谱。近期实验已经证明了在大光谱范围内快速和灵敏地获取分子光谱的有趣潜力，可预见的应用可能通过相干控制或非线性现象进一步推动光谱学和动力学的前沿。

虽然中红外光频率梳已经应用于许多领域，但它在科学和工程领域仍有巨大的研究价值和发展空间。开发性能更高、集成度更高、适用范围更广的新型中红外光频梳器件以及和其他学科相结合的前沿跨学科研究，未来可能会为双梳光谱仪、气体分子传感器、精密光谱学带来新的机遇：

（1）通过结合新颖特性的材料或设计新的结构，在提高光频率梳的性能的同时可以进一步推进频率梳器件的功能化。

（2）基于中红外光频率梳的DCS技术是一个主流的应用趋势。随着微梳系统技术的不断发展，最终将解决当前DCS完全集成所需解决的问题。这种光子集成使得更高的系统性能和更紧凑的器件封装成为可能。

（3）中红外光频率梳在医学领域也有着巨大的潜力，如光学相干断层扫描（OCT）等。OCT技术利用散射介质中的光的散射特性以超高的精度对体积中的对象进行成像，MIR区域的光具有低瑞利散射的特点，可用于集成OCT中，以实现更高的成像精度。

（4）近年来，基于光频梳的光子计算已经成为研究者们的重要关注课题，近红外光频梳已经在光计算领域被成功应用。进一步向中红外波段拓展，可以拓展光子计算的通道数量，未来或将实现基于光子计算的全芯片化数据处理平台与超宽带光物联系统。

该项目获得国家自然科学基金（61975025）；国家重点研发计划（2021YFB2800602）；之江-电子科技大学联合项目（202012KFY00562）的支持。该研究第一作者为电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室硕士研究生杜俊廷，主要从事基于光频梳的光计算方面的研究工作。