光学频率梳技术解析

光学频率梳是继超短脉冲激光问世之后激光技术领域的又一重大突破。光学频率梳由“锁模激光器”产生，是一种超短脉冲（飞秒1e－15s量级）的新型激光光源。飞秒激光脉冲是通过锁定飞秒激光器内所有能够振荡的激光纵模的相位而形成的周期性脉冲。如果对飞秒激光脉冲的重复频率和载波包络频移进行精密控制，根据傅里叶变换，在频域上即为分布均匀、位置固定且光谱范围极宽的一系列梳状谱线，则为“光学频率梳”，其可以作为参考来测量未知频率或将激光稳定到特定频率，而其在时域上则表现为重复频率稳定的飞秒脉冲激光，如下图所示。

飞秒光学频率梳的出现得益于飞秒锁模激光、非线性光学、时间频率基准和激光稳频技术等领域的发展，是超快光学与精密光谱学完美结合的产物。人们最初研究飞秒光学频率梳的目的是要对光波频率进行直接精密计量，在此之前谐波光频链承担了从微波频率向光频的过渡工作，但是其系统过于复杂且测量的光频数量十分有限。而飞秒光学频率梳实现了微波频标与光学频率的直接连接，可实现从兆赫兹到太赫兹的直接频率传递，为下一代时间频率基准的建立和频率传递等方面的研究奠定了基础。同时，由于飞秒光学频率梳独特的时域和频域特性，使其在激光频率计量、光钟、频率标准传递、绝对距离测量和精密光谱等方面有着更大的优势和应用前景。此外，由于光学频率梳在频域上的一系列整齐的光谱谱线，使其可作为光谱分析的天然“刻线”，而且各“刻线”间的宽度很窄细，故拥有较高的光谱分辨率。而基于飞秒光学频率梳发展起来的，有别于传统的傅里叶变换光谱仪的双光梳光谱仪，在中红外光梳高分辨气体光谱分析中发挥着重要作用。

德国TOPTICA公司自2004年起就已建立超快光纤激光体系，现已将业务拓展到光梳领域。TOPTICA公司的差频光梳（Difference Frequency Combs，DFC）产品基于锁模的掺铒（Er）超快光纤激光器，具有独特的CERO（“zero－CEO”）专利技术，使得载波包络频移νCEO维持为零，并得益于共模抑制作用，其光梳能够免受相位偏移和频率偏移的扰动影响。TOPTICA能保证波长范围从420nm至2200nm的激光器，均可通过相位锁定技术锁到DFC光梳上。

TOPTICA公司DFC光梳频域和时域谱

TOPTICA的DFC光梳产品含DFC CORE、DFC CORE＋和DFC SEED三种版本。DFC CORE和DFC CORE＋都包含4路或8路相位稳定的1560nm激光输出。而DFC SEED模块运用于OPCPA（光学参量啁啾脉冲放大）和高功率需要超短脉冲相位稳定的放大器种子源（1560nm，1030nm，1950nm）。

TOPTICA光梳产品主要参数表

此外，TOPTICA还提供一些波长扩展模块，可将DFC CORE的1560nm输出转化为420nm至2200nm之间的任意所需波长，波长转换模块都是基于TOPTICA的光纤飞秒激光技术。

TOPTICA光梳波长扩展模块

而得益于宽而平坦的光谱增益特性，使得量子级联激光器（Quantum Cascade Lasers， QCLs）能够很好地应用于光梳领域。著名的瑞士Alpes Lasers公司致力于研发生产先进光源，是提供高性能、高稳定性的量子级联激光器的专业生产商，产品波长可覆盖4－20μm红外波段，主要应用于各种场合的化学／气体分析。其QCL光梳产品采用独立一体化设计，将泵浦激光和微腔集成于波导结构中，能覆盖几乎所有的中、长红外波段。

Alpes Lasers公司的双光梳光谱产品，即通常包含探测光梳和参考光梳各一个，采用的是外差拍频技术，具备超高分辨率和采样时间仅几十个cm－1的准实时采样特性。而且此双光梳光谱产品结合了DFB－QCLs的窄线宽、不跳摸可调谐性并具有更宽的波长覆盖范围。

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