解析飛秒光學頻率梳

光學頻率梳是繼超短脈沖激光問世之后激光技術領域的又一重大突破。光學頻率梳由“鎖模激光器”產(chǎn)生，是一種超短脈沖（飛秒1e－15s量級）的新型激光光源。飛秒激光脈沖是通過鎖定飛秒激光器內所有能夠振蕩的激光縱模的相位而形成的周期性脈沖。如果對飛秒激光脈沖的重復頻率和載波包絡頻移進行精密控制，根據(jù)傅里葉變換，在頻域上即為分布均勻、位置固定且光譜范圍極寬的一系列梳狀譜線，則為“光學頻率梳”，其可以作為參考來測量未知頻率或將激光穩(wěn)定到特定頻率，而其在時域上則表現(xiàn)為重復頻率穩(wěn)定的飛秒脈沖激光，如下圖所示。

飛秒光學頻率梳的出現(xiàn)得益于飛秒鎖模激光、非線性光學、時間頻率基準和激光穩(wěn)頻技術等領域的發(fā)展，是超快光學與精密光譜學完美結合的產(chǎn)物。人們最初研究飛秒光學頻率梳的目的是要對光波頻率進行直接精密計量，在此之前諧波光頻鏈承擔了從微波頻率向光頻的過渡工作，但是其系統(tǒng)過于復雜且測量的光頻數(shù)量十分有限。而飛秒光學頻率梳實現(xiàn)了微波頻標與光學頻率的直接連接，可實現(xiàn)從兆赫茲到太赫茲的直接頻率傳遞，為下一代時間頻率基準的建立和頻率傳遞等方面的研究奠定了基礎。同時，由于飛秒光學頻率梳獨特的時域和頻域特性，使其在激光頻率計量、光鐘、頻率標準傳遞、絕對距離測量和精密光譜等方面有著更大的優(yōu)勢和應用前景。此外，由于光學頻率梳在頻域上的一系列整齊的光譜譜線，使其可作為光譜分析的天然“刻線”，而且各“刻線”間的寬度很窄細，故擁有較高的光譜分辨率。而基于飛秒光學頻率梳發(fā)展起來的，有別于傳統(tǒng)的傅里葉變換光譜儀的雙光梳光譜儀，在中紅外光梳高分辨氣體光譜分析中發(fā)揮著重要作用。

德國TOPTICA公司自2004年起就已建立超快光纖激光體系，現(xiàn)已將業(yè)務拓展到光梳領域。TOPTICA公司的差頻光梳（Difference Frequency Combs，DFC）產(chǎn)品基于鎖模的摻鉺（Er）超快光纖激光器，具有獨特的CERO（“zero－CEO”）專利技術，使得載波包絡頻移νCEO維持為零，并得益于共模抑制作用，其光梳能夠免受相位偏移和頻率偏移的擾動影響。TOPTICA能保證波長范圍從420nm至2200nm的激光器，均可通過相位鎖定技術鎖到DFC光梳上。

TOPTICA公司DFC光梳頻域和時域譜

TOPTICA的DFC光梳產(chǎn)品含DFC CORE、DFC CORE＋和DFC SEED三種版本。DFC CORE和DFC CORE＋都包含4路或8路相位穩(wěn)定的1560nm激光輸出。而DFC SEED模塊運用于OPCPA（光學參量啁啾脈沖放大）和高功率需要超短脈沖相位穩(wěn)定的放大器種子源（1560nm，1030nm，1950nm）。

TOPTICA光梳產(chǎn)品主要參數(shù)表

此外，TOPTICA還提供一些波長擴展模塊，可將DFC CORE的1560nm輸出轉化為420nm至2200nm之間的任意所需波長，波長轉換模塊都是基于TOPTICA的光纖飛秒激光技術。

TOPTICA光梳波長擴展模塊

而得益于寬而平坦的光譜增益特性，使得量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Lasers， QCLs）能夠很好地應用于光梳領域。著名的瑞士Alpes Lasers公司致力于研發(fā)生產(chǎn)先進光源，是提供高性能、高穩(wěn)定性的量子級聯(lián)激光器的專業(yè)生產(chǎn)商，產(chǎn)品波長可覆蓋4－20μm紅外波段，主要應用于各種場合的化學／氣體分析。其QCL光梳產(chǎn)品采用獨立一體化設計，將泵浦激光和微腔集成于波導結構中，能覆蓋幾乎所有的中、長紅外波段。

Alpes Lasers公司的雙光梳光譜產(chǎn)品，即通常包含探測光梳和參考光梳各一個，采用的是外差拍頻技術，具備超高分辨率和采樣時間僅幾十個cm－1的準實時采樣特性。而且此雙光梳光譜產(chǎn)品結合了DFB－QCLs的窄線寬、不跳摸可調諧性并具有更寬的波長覆蓋范圍。

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