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      4. 一種特別的光源:光學梳子

        作者:每天搞學術 來源:網絡 時間:2019-10-30 16:53 閱讀:2377 [投稿]
        光頻梳是一種光源,它的光譜不是連續的,而是由銳利的、窄的、等距的激光線組成的離散模式。它可以通過一些機制產生,特別是通過穩定的脈沖序列和由飛秒鎖模激光器產生的固定重復率,或者通過非線性介質中的四波混合。

        頻率梳以前所未有的精度測量光學頻率,在光學計量學中有眾多應用,例如高精度光譜學,光學原子鐘,阿秒科學,天文學和最近的量子信息處理。

        光頻梳是一種光源,它的光譜不是連續的,而是由銳利的、窄的、等距的激光線組成的離散模式(如圖所示)。它可以通過一些機制產生,特別是通過穩定的脈沖序列和由飛秒鎖模激光器產生的固定重復率,或者通過非線性介質中的四波混合。前一種技術是由Theodor Hansch和John Hall在2000年左右開發的,這使得他們二人分享了2005年諾貝爾物理學獎的一半,“因為他們對基于激光的精確光譜學的發展做出了貢獻,包括光學頻率梳技術。


        這些梳子的功能就像光的“標尺”,讓科學家能夠非常精確地測定光的頻率,徹底改變了基礎科學。舉例來說,顯著進步的頻率梳致力于寬帶光譜源——特別是在中紅外區域2 - 20(μm),用于分子指紋,紫外線范圍(< 400nm)——開辟了探索原子和分子的結構和動力學新的機遇。與光譜學一樣,頻率梳可以作為一個精確的光譜尺來支持傳統的激光測距方法。

        頻率梳狀光源已用于光學時鐘,使精確的時間保持。在時域中,對超短脈沖的包絡和載波之間的相對相位的控制使得研究發生在一個光學周期的一小部分的動力學成為可能,這是阿秒科學的關鍵。近年來,在尋找類地系外行星的過程中,通過激光頻率梳校準的高分辨率光譜儀,實現了一種新的精確的徑向速度測量方法,擴展了“天體梳”作為天文學光譜觀測工具的用途。

        在這個聚焦于頻率梳的問題上,我們提出了三篇綜述文章,提供了最新的芯片上產生頻率梳的進展,頻率梳光譜學,以及頻率梳在量子科學和技術中的新角色。

        頻率梳的大部分應用最初是使用桌面系統進行的。然而,基于芯片的非線性光子學為微型化提供了解決方案。光在波導中的嚴格限制,由于核心和波導包層之間的高折射率反差,提供了高的光學非線性和在寬泵浦波長范圍內的強色散管理能力。Gaeta、Lipson和Kippenberg綜述了兩種不同尋常的片上工藝,它們可以產生具有廣譜的頻率梳,在光波導中產生超連續譜,在微諧振器中產生克爾梳。片上頻率梳裝置具有結構緊湊、便攜性好、穩定性強、可充分集成低功耗器件等特點,有望廣泛應用于各種應用環境。

        Nathalie Picque和Theodor Hansch總結了新興的和快速發展的原子和分子寬帶光譜與頻率梳領域的發展。他們的綜述集中在頻率梳在光譜學中的影響,在光譜學中,頻率梳被用來直接激發或審問一個樣品,而不是作為頻率標尺。他們明確地集中在數字合成器的選擇和梳狀結構被利用的技術。光譜頻率梳光譜學技術描述,包括直接頻率梳光譜學,拉姆齊梳光譜,光譜使用色散光譜儀,基于Michelson的傅里葉變換光譜學和雙梳光譜(如圖:兩個光學梳發電機略有不同,專門設計的線寬可能拍頻一個檢測器和生成一個射頻頻譜,使能高分辨率雙梳光譜)。頻率梳光譜鏡在極紫外和寬帶檢測,以及在片上光譜實驗室中的應用前景同樣值得討論。

        量子科學需要越來越復雜和大規模的量子資源。由于頻率梳能夠提供非常多的時間和頻率模式,從而促進大規模的量子系統,頻率梳提供了一個有趣的解決方案,并可能被證明是非常寶貴的實用和可擴展的量子信號和信息處理框架。Michael Kues和他的同事在他們的綜述中討論了通過光子糾纏操作的量子頻率梳,從鎖模量子頻率梳開始,然后是能量-時間糾纏方法。他們討論了光子集成和光纖通信組件在控制量子態中的應用,以及這些“量子微梳”在基于光子的量子科學中的潛力。

        頻率梳直到20世紀70年代末漢斯的實驗之后才達到現在的形式。從那時起,人們探索了幾個新的研究途徑。在未來的十年里,通過頻率梳來觀察是否會出現新的分支和驚喜,將是一件有趣的事情。

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