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一种特别的光源:光学梳子

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-01-16   浏览次数:31
核心提示:一种特别的光源:光学梳子频率梳以前所未有的精度测量光学频率,在光学计量学中有众多应用,例如高精度光谱学,光学原子钟,阿秒科学,天文学和最近的量子

频率梳以前所未有的精度测量光学频率,在光学计量学中有众多应用,例如高精度光谱学,光学原子钟,阿秒科学,天文学和最近的量子信息处理。

光频梳是一种光源,它的光谱不是连续的,而是由锐利的、窄的、等距的激光线组成的离散模式(如图所示)。它可以通过一些机制产生,特别是通过稳定的脉冲序列和由飞秒锁模激光器产生的固定重复率,或者通过非线性介质中的四波混合。前一种技术是由Theodor Hansch和John Hall在2000年左右开发的,这使得他们二人分享了2005年诺贝尔物理学奖的一半,“因为他们对基于激光的精确光谱学的发展做出了贡献,包括光学频率梳技术。


这些梳子的功能就像光的“标尺”,让科学家能够非常精确地测定光的频率,彻底改变了基础科学。举例来说,显著进步的频率梳致力于宽带光谱源——特别是在中红外区域2 - 20(μm),用于分子指纹,紫外线范围(< 400nm)——开辟了探索原子和分子的结构和动力学新的机遇。与光谱学一样,频率梳可以作为一个精确的光谱尺来支持传统的激光测距方法。

频率梳状光源已用于光学时钟,使精确的时间保持。在时域中,对超短脉冲的包络和载波之间的相对相位的控制使得研究发生在一个光学周期的一小部分的动力学成为可能,这是阿秒科学的关键。近年来,在寻找类地系外行星的过程中,通过激光频率梳校准的高分辨率光谱仪,实现了一种新的精确的径向速度测量方法,扩展了“天体梳”作为天文学光谱观测工具的用途。

在这个聚焦于频率梳的问题上,我们提出了三篇综述文章,提供了最新的芯片上产生频率梳的进展,频率梳光谱学,以及频率梳在量子科学和技术中的新角色。

频率梳的大部分应用最初是使用桌面系统进行的。然而,基于芯片的非线性光子学为微型化提供了解决方案。光在波导中的严格限制,由于核心和波导包层之间的高折射率反差,提供了高的光学非线性和在宽泵浦波长范围内的强色散管理能力。Gaeta、Lipson和Kippenberg综述了两种不同寻常的片上工艺,它们可以产生具有广谱的频率梳,在光波导中产生超连续谱,在微谐振器中产生克尔梳。片上频率梳装置具有结构紧凑、便携性好、稳定性强、可充分集成低功耗器件等特点,有望广泛应用于各种应用环境。

Nathalie Picque和Theodor Hansch总结了新兴的和快速发展的原子和分子宽带光谱与频率梳领域的发展。他们的综述集中在频率梳在光谱学中的影响,在光谱学中,频率梳被用来直接激发或审问一个样品,而不是作为频率标尺。他们明确地集中在数字合成器的选择和梳状结构被利用的技术。光谱频率梳光谱学技术描述,包括直接频率梳光谱学,拉姆齐梳光谱,光谱使用色散光谱仪,基于Michelson的傅里叶变换光谱学和双梳光谱(如图:两个光学梳发电机略有不同,专门设计的线宽可能拍频一个检测器和生成一个射频频谱,使能高分辨率双梳光谱)。频率梳光谱镜在极紫外和宽带检测,以及在片上光谱实验室中的应用前景同样值得讨论。

量子科学需要越来越复杂和大规模的量子资源。由于频率梳能够提供非常多的时间和频率模式,从而促进大规模的量子系统,频率梳提供了一个有趣的解决方案,并可能被证明是非常宝贵的实用和可扩展的量子信号和信息处理框架。Michael Kues和他的同事在他们的综述中讨论了通过光子纠缠操作的量子频率梳,从锁模量子频率梳开始,然后是能量-时间纠缠方法。他们讨论了光子集成和光纤通信组件在控制量子态中的应用,以及这些“量子微梳”在基于光子的量子科学中的潜力。

频率梳直到20世纪70年代末汉斯的实验之后才达到现在的形式。从那时起,人们探索了几个新的研究途径。在未来的十年里,通过频率梳来观察是否会出现新的分支和惊喜,将是一件有趣的事情。

 
 
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