为什么需要光学频率梳?这篇文章说透了

光电汇

光学频率梳(光梳)的产生是人们对于更加准确时间基准的向往,和在此基础上对高精密测量技术的追求。2005年,Theodor Hänsch 教授,德国Menlo Systems公司的创始人,由于对光学频率梳技术的发明以及对精密光谱物理学的贡献获得诺贝尔物理学奖。

自20世纪末以来,光学频率梳技术的发展和其广泛应用已经彻底改变了物理学的许多领域。光学频率梳在光频与射频之间架起了桥梁,使得两者可以进行直接的相互传递。基于这条简洁的原理和特点,光梳的应用领域从发明初期的激光精密光谱测量,已覆盖到光学原子钟、量子计算、原子分子吸收光谱、高精度测距、超低噪声微波源的产生、高带宽光通信、甚长基线干涉、新一代导航和定位系统、天文光谱仪的校准、基本物理常数的精确测定、暗物质探测等前沿科学研究中。


作为现今唯一能够直接连接光频和无线电射频的设备,光学频率梳不仅仅应用于量子光学实验室,亦成为在与光学频率相关的几乎所有领域中不可替代的工具。本文汇总了光学频率梳的几大应用领域,包括精密计量、频率参考、光纤时频网络、双光梳光谱等。

精密计量

“Never measure anything but frequency” 亚瑟.肖洛1981年说出的名言经受住了时间的考验,时间频率是目前可以被测得最准的物理量。作为七个基本物理量之一,时间频率的计量影响着其他基本物理量,例如长度的计量。1米的定义是光在真空中传播1/ 299792458秒所经过的长度,更确切地,国际计量局推荐使用633 nm的碘稳频氦氖激光器作为光源来标定米。碘稳频氦氖激光器的准确波长为632. 991 212 58 nm,用频率表示为473 612 353 604 kHz,不确定度在E-11量级。

在实际测量中,用光谱仪或者波长计来测量激光器的波长无法达到如此高的精确度,此时需要光学频率梳测量光的频率。在光学频率梳发明之前,测量一台连续(CW)激光器的频率需要使用另一台波长相同的CW激光器进行拍频比对,或使用复杂的光学和电学频率综合链路来连接和比对两个相隔较远的激光频率。光学频率梳发明之后,可以作为一把光学尺来连接和标定各个波长的CW激光器。不仅如此,光学频率梳还可以连接光频和射频,可以锁定到射频参考基准时钟上来标定CW激光的绝对频率。


光梳发明前后测量光学频率的设备对比,左图是1999年在MPQ Hänsch实验室的测量设备,右图是2022年Menlo Systems 研发的测量设备

频率参考

和精密计量的应用相似,在光梳作为频率参考的应用中,同样需要用光梳的梳齿和待测CW激光的频率拍频。拍频信号不仅可以用来计算CW激光的频率,其中还包含了CW激光的噪声信息。用相位探测器提取出拍频中的误差信号并通过PID电路反馈到CW激光器的电流或压电陶瓷等控制端口,就可以把CW激光器同步到光梳上,从而使得CW激光获得光梳梳齿的稳定度和线宽。

在德国马克思普朗克量子光学研究所,一台锁定到氢钟上的Menlo FC1500光梳被用作7个实验平台中包括多达25 台CW激光器的共同参考来使用,光梳的光通过20~50 m长度不等的光纤分别传递到这7个实验室,这25台激光器的波长分布在770 nm~1560 nm之间。因为有了光梳这样稳定度高并覆盖光谱范围广的公共频率参考,马普量子光学所省去了诸多波长计,气体池以及参考腔等传统的频率参考源。


德国马克思普朗克量子光学研究所将7个实验室多达25 台CW激光器同时锁定到Menlo光梳上

德国宇航局的高海拔长距离探测飞机用于研究主要温室气体的浓度。飞机上搭载了差分吸收激光雷达,其中激光的波长为1572 nm。由于激光的频率会随着气压、温度、飞机的颠簸等环境因素产生变化,给测量带来误差,因此需要对光频进行连续长时间(几个月)的监测或稳定。为了实时监测该激光的频率,Menlo的SmartComb作为第一台机载光梳搭载升空,空中实验的结果证明SmartComb可以在恶劣的环境条件下完成对1572 nm CW激光频率的监测,并测量了该激光器工作不稳定的情况。当然,SmartComb也可以作为频率参考来稳定该激光频率。


世界上第一台机载光梳——MenloSystems SmartComb——用于温室气体测量

位于智利(平均海拔为1871 m)的高精度视向速度行星搜索器(HARPS)由欧洲南方天文台所建,它是有史以来最成功的行星探测器之一,HARPS主要由一台搭载阶梯光栅光谱仪的3.6 m口径的天文望远镜来探测恒星星光,运用视向速度法发现地外行星。其中,光谱仪的频率参考源决定了系统能探测的视向速度的测量精度。光谱仪传统的参考源是钍氩灯,但其谱线频率和功率分布都不平均,并且其长期稳定度会因为灯的老化而恶化。南方天文台和MenloSystems合作使用天文光梳代替钍氩灯校准光谱仪,使得视向速度的校准精度提升到cm/s量级,这样的校准精度将极为有力地支持HARPS发现人类宜居的类地行星。

Menlo Systems 天文光梳(Channel B)和钍氩灯 (Channel A) 谱线对比(Wilken et al., Nature 485, 611, 2012)

光纤时频网络

随着光纤通信和互联网的发展,光纤已经把世界各地紧密地连接在了一起。光纤网络的建立也为世界各地的时钟比对和同步提供了便利。相比于其他的时钟频率传递方法,光纤时频传递不仅更加稳定,还可以达到更高的稳定度,保证更高指标的微波原子钟(例如喷泉钟),甚至是光学原子钟的时频传递。

在光纤时频传递中,首先把光梳锁定到10 MHz或100 MHz待传递的钟信号上,然后把一个1.5 μm光纤通信波段的中继CW激光锁定到光梳上,这时中继激光就携带了钟信号的稳定度。中继激光通过光纤链路传到远端,作为参考使得远端的光梳锁定其上。最后,探测远端光梳的重频或其高次谐波就可以完成钟信号的提取。

相比传统方法,这种光纤时频传递技术可以达到更高的传递稳定度,因此可以用来作为高精度原子钟的时间同步手段。在射电天文学中,需要用到甚长基线干涉测量技术(VLBI)来提高射电望远镜的等效口径。但VLBI技术需要两地的时钟差能尽可能的小,以不影响观测信号的时间差。采用光纤时频传递技术,两地间可以共享一个时钟,因此可以把时钟之间的相位噪声降到最低。

意大利的科学家们采用这种办法,把意大利国家计量院的钟信号通过光纤传到远端,完成了1739 km的光纤时频传递,使得相距1055 km的Medicina 和 Matera两地的两台射电望远镜有效地同步了起来,支持VLBI技术达到更高的精度。


意大利国家计量院使用光纤时频传递和光梳的VLBI方案

不仅在意大利,欧盟各国也正在建设光纤授时网络,包括德国、法国、英国在内的各国国家计量院正在通过光纤把各自的原子钟连结在一起,组成更加强大的授时网络(CLONETS)。届时,不仅是欧洲各大高校和研究所可以享受这一授时服务,欧洲的工业例如云计算和互联网工业4.0等相关项目也可以通过CLONETS提高时钟的精度。

双光梳光谱

传统的傅里叶变换光谱仪一般采用迈克尔逊干涉结构,其中参考臂为机械动臂,因此,傅里叶变换光谱仪的分辨率和扫谱速度受限于机械动臂的运动范围和速度。双光梳光谱仪采用异步光学采样的方法,使用两套重复频率相差Δfr 的光梳取代了传统的机械动臂结构。因此,双光梳可以达到更高的分辨率(fr)和更快的扫谱速度(Δfr)。最终,双光梳光谱的测量结果反映在两台光梳的拍频信号,即射频梳上,而该射频梳的重复频率为两台光梳的重频差Δfr,用频谱仪观察就可以得到丰富的光谱信息。

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Kippenberg教授和Menlo合作开展了中红外光梳的应用研究,在这项研究中Menlo为EPFL提供了一套19寸机柜式的双光梳光谱仪,EPFL则发挥他们在半导体工艺上的优势,使用氮化硅波导芯片,支持Menlo的双光梳的波长从1.5 μm波段扩展到了2800~3600 nm。使用这种双光梳光谱仪,研究人员可以获得H2O、C4H4、C2H2等分子的吸收光谱,其结果完美的符合了HITRAN数据库。

本文汇总自“Menlo Systems门洛量子”公众号光梳研讨会回顾系列文章,同时“为什么需要光学频率梳”已在“光言万物”直播平台播出

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