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光频梳的科技与应用二十年来的发展
摘要：
光学频率梳是近二十年前开发的，旨在支持全世界最精确的原子钟。频率梳可以将高稳定性参考源的相位和频率信息精确传递到光域中数以千百计的频率，从而可以充当精密光学合成器。这种多功能性以及从微波频率到极紫外光谱的近乎连续的光谱覆盖范围，在基础和应用环境中具备精密测量的能力。这篇综述采用了一种教程式的方法来说明20年的技术发展促进了光频率梳从实验室到实地应用。
光学频率梳（OFC）最初是为计算光学原子钟的周期而开发的。原子之所以成为理想的频率参考，是因为它们是一致、可以重现的，并且具有离散且定义明确的能级，强大的内力可以自然地将它们与外部干扰隔离开来。所以，在1967年国际标准时间单位中，SI秒被重新定义为9,192,631,770次中两个超精细状态之间的振荡。 微波时钟可提供惊人的16位数字的频率/时间精确度，由于较高的跃迁频率允许提高100倍的时间/频率分辨率（请参见“时间，同步和原子钟网络”），基于原子中光学跃迁的时钟正在被探索作为一个可选的参考源。但是，采用光信号带来了巨大的测量挑战，因为光的频率比最先进的数字电子产品快100,000倍。在2000年之前，访问光频率的最简单方法是通过了解光的速度及其波长的测量，而且是使用光波计以相对较差的精度的测量。对于精度更高的测量，寻求更高的分辨率由波长标准提供，大规模的频率链被用来连接赫兹的微波定义，由附近的主频率参考提供9.2 GHz，通过一系列倍增和锁相振荡器到达光域。这些系统的复杂性需要多达10位科学家，20个不同的振荡器和50个反馈循环执行一次光学测量。由于复杂性，倍频链每年产生一到两个精确的光学频率测量值。在2000年，OFC的实现允许将这些复杂的频率链替换为单锁模激光器(MLL)，大大简化了精密光学测量技术，迅速发展成为光学原子标准。
通过使用单频激光来开发OFC稳定技术并将其应用于锁模（脉冲）激光系统。结果是该系统可以从任意一个合成器中合成 个谐波相关的光学模式利用保真度优于1的电子或光学参考。更重要的是，OFC可以直接转换光学频率到微波频率，反之亦然，可以从光学原子钟中提取微波定时信号。除了在精密光学计量中的应用，OFC因其多功能性而被迅速认可为高保真光学变频器，并作为精确定时的超短信号源脉冲。更广泛地说，通过利用非线性
利用超短脉冲，OFC可以在广谱区域，包括近红外，可见光域和远紫外线（XUV）。光谱内的不同频率的产生也允许高保真频率传输至中红外，太赫兹和微波域。 OFC很快发现可应用于多种多样的光学，原子，分子和固态系统，包括X射线和阿秒脉冲的产生，场相关过程中的相干控制，分子指纹，石油和天然气工业中的痕量气体传感，基础原子钟物理学测试，原子光谱仪校准10，通过光纤和自由空间进行精确的时间/频率传输，光通信的任意波形测量，精准测距。为了支持广泛的应用空间，OFC利用激光发展的快速变化，以实现覆盖不同的频谱区域，不同的频率分辨率，并能够开发出性能更低的系统尺寸，重量和功率（SWAP）。
上面概述的卓越技术能力使得John“ Jan” Hall和Theodor Hauml;nsch在2005年获得了诺贝尔委员会的认可，除此之外还有他们对精密光频率计量领域的终生贡献，以及他们的技术远见和在实现OFC中的专业才能。在Google学术搜索中快速搜索包含确切短语“ OFC”的出版物，在过去20年中，该主题返回了14,000多种出版物。在撰写此综述时，我们希望提供有关OFC起源的广泛历史概述，解释它们如何工作以及如何将它们应用到不同领域上下文。 更重要的是，我们希望能够告诉读者为什么在精密实验中频率梳是如此强大的工具，并解释它们如何超越精密计量，走向商业化应用。
什么是OFC以及它是如何工作的
传统的回答是，OFC是相位稳定的MLL。尽管已经开发了不同的生成方法，在过去的20年中，MLL是原始的OFC来源。 因为它们的历史意义和操作简便性，我们使用它们为起点以解释OFC生成的基础。
MLL在光学计量学背景下的效用是早在1980年代末就被认可。 来自MLL的光脉冲是由于将数十万个到数百万个共振纵模的相干叠加，在光域中的跨度可达100 nm。广的光谱带宽对于光谱应用立即具有吸引力，锁模光谱具有有利于精密光学计量的独特的特性：（1）所有光学模式是谐波相关的（在频域）和（2）全光模式彼此相位相干（共享共同的相位演化）。 其后果就是电场的演变，以及激光器中每个光学模式的相位和频率动态在OFC频谱是确定性的。因此，得知一种模式的绝对频率可用于确定任何其他模式的绝对频率。
梳源的出现，频梳的产生和新的架构
固体和基于光纤的锁模梳的发展
掌握了稳频技术，任何具有足够高的脉冲能量（〜1 nJ）的MLL系统，都可以转换为OFC。因此，高度广泛研究了用于产生连续体的非线性纤维，以扩展到不同的波长。光纤技术的发展以及对更高能效的渴望使得产生接近1mu;m的基于Cr：LiSAF，Yb：CALGO，Yb：KGW，Er：Yb：glass和Yb：KYW36的二极管泵浦固态激光器系统以及二极管泵浦的光纤系统可以产生1550 nm左右的OFC信号。后者光纤激光器使用现成的全光纤组件制造是更集成、更节能高效的系统。因此，这些Er:fiber OFC成为了最具商业价值的成功产品，并且是最常用的OFC系统。其他值得注意的光纤激光器包括高功率1mu;m Yb：fiber，当与高功率镱放大器结合使用时，是在直接梳状光谱法中的XUV中高谐波产生或实现2mu;m掺fiber光纤OFCs的理想候选者。在最近多年以来，将带宽扩展到中红外已引发基于石英的非石英例如Er3 ：氟化物的光纤激光器的探索。
使用以上固态和光纤系统，与非硅基非线性光纤中的连续体相结合可以提供近乎连续且相干范围从400 nm到4mu;m的光谱。 在许多方面，短脉冲激光系统产生频率在某些领域是提供高亮度、广泛光谱覆盖的唯一方法。 特别是在中红外到太赫兹，紫外（UV）到XUV。利用差频生成（DFG）和/或光学参量振荡（OPO），带宽更极端地被扩展到了长达27mu;m的波长。
差频生成依赖于标准非线性晶体中下转换的的相位匹配。下转换中的两个较高能量的光子，泵浦nu;1和信号nu;2通过nu;3=nu;1-nu;2，变成理想的中红外光子。光学参量振荡器可以在光学共振腔中执行DFG或SFG，用于高效、极宽的频率转换。在400 nm以下，研究人员借用了脉冲台式X射线源产生高能量的技术，通过将腔增强的光脉冲聚焦到光谐波中产生紫外线和XUV频率的稀有气体射流。最高可实现的相关频率产生可来自60 W Yb:fiber 激光器在11 nm处的91次谐波聚焦到氩气喷射器中。
集成片上光源
在过去的15年中，基于微谐振器的芯片级系统的开发和半导体系统也出现了。 本节还介绍了电光频率梳，目前是具有很高的重复率的唯一实现方法。这些系统的紧凑尺寸使人们对芯片规模和光子集成的OFC光源有着很高的兴趣。
半导体激光器：不同的半导体激光器平台已被研发为OFC来源，包括量子级联激光器（QCL）和锁模集成外腔表面发射激光器（MIXSEL）。MIXSEL是与半导体可饱和吸收体腔镜集成在一起的垂直发射半导体激光器，可帮助引起锁模。光泵浦时，MIXSEL可以产生低于100 fs的
脉冲和大于1 W的光功率。除此之外，集成半导体平台是潜在的候选者，因大量生产可大大降低制造成本，并且效率高，可设计用于800 nm至近红外波长的器件。而传统的工作波长的半导体激光器是由半导体的带隙决定的。QCL依赖于夹层的量子阱异质结构，其表现为带隙材料。结果是QCL提供了基于四波混频的多功能系统，用于可变中红外至太赫兹辐射的产生，从5到50 GHz的模式间隔。虽然QCL光梳不产生光脉冲，这给模态间距的非线性展宽，稳定性和规律性带来了艰巨的挑战，他们目前提供唯一具有直接电气泵浦功能的OFC平台。
微谐振器系统：基于微谐振器的OFC，或微梳在操作上与MLL显着不同，因为它们不是激光器，而是低损耗的光学谐振器。这些作为OFC开发的系统基于悬浮二氧化硅微型环形线圈，以及经过机械加工和手工抛光的晶体CaF2微棒。从那时起，微谐振器架构扩展到更容易集成和光刻设计和图案化的波导，基于多种材料，其各种性能在参考文献1中进行了概述。微谐振器充当积聚腔，可在较长的存储时间或等效的较长交互长度内实现高非线性，其方式与非线性光纤。通过简并和非简并四波混合，共振耦合单频泵浦源被转换为一束光频率。相干光带宽f0的自引用仅直接从模式间隔超过200 GHz的谐振器产生。 不幸的是，谐振器的光带宽明显变窄，可访问模式间隔接近20 GHz。在较低的重复频率下，带宽变窄需要利用外部放大和拓宽。虽然微梳启用芯片级梳状生成，但不一定会产生光脉冲。 因为脉冲形成对于相干的要求很苛刻，早期的许多微谐振器工作是旨在了解稳定光学的时间动态孤子的产生，通过系统地定期实现并仔细控制泵浦激光失谐的方式。
电光梳状发生器：使用基于调相单频激光器的等距光学模式光频梳产生器最早在2000年被用于精密光学测量，以桥接和测量更小的尺寸。由于其简单的光学架构和多千兆赫模式间隔的可能性，这些来源直接来自电子合成器，在最近几年里主要被使用在光波形生成，高比特率光通信和微波光子学。也许功能最全光电梳（EO-combs）的特点是它们是唯一的宽带和敏捷调谐的OFC源模式间距。这些系统的另一个好处是在泵浦波长范围为780 nm至2mu;m运行的高速电光调制器的可用性。最近，电光频梳（EO-combs）已使f0达到完全稳定。利用腔产生电光梳稳定的种子激光器导致了EO梳的应用于天文光谱仪的校准，这要求有超宽范围内零件的长期频率稳定性和极平坦的光谱。
OFC应用
在以下各节中，我们将说明OFC如何影响各种应用及其演变。为了简单起见，我们将根据应用分为两类需求。第一部分着重于OFCs可以进行高精度的频率合成和测量，需要最严格的要求才能实现原子钟的信号比较和传播（请参阅“原子钟比较的组合”）。“实验室以外的频率梳”涵盖了研究已经从实验室转移到更多领域的商业应用。这些后面的应用通常需要更多可靠且对环境不太敏感的器件，由于使用它们，因此可以承受较低的稳定性要求在不受控制的环境中。虽然这里讨论了工作不包含OFC的全部应用空间，由于篇幅的限制，我们将讨论限于这些主题。
频梳引用，稳定和性能
因为MLL的光谱本身并不稳定，精确了解和控制两个梳形参数才能利用激光器的全部潜力进行精密计量。测量任何频率（光学或微波）都需要与第二个频率参考进行比较。 在这里，我们探索如何选择参考和频率，所指的梳子（微波或光学）会影响其模式的稳定性和噪声。 了解和控制梳模可以通过将fr和f0直接与微波频率参考，通过在光频中限制两个自由度，或通过组合两种方法中的一种。 虽然OFC可以在任一光学或微波领域被参考，OFC光学模式相对于光学参考的稳定可以通过比较和/或锁定小的差频，使Delta;flt;fr。
除了全相位稳频之外，无源光学器件和从梳形参数中去除电子相位噪声可以用于使用OFC进行频率测量。这些方法包括使用DFG创建带有f0消失，f0和fr的同步电子“混合”使用所谓的传输振荡器方法。
用于原子钟比较的频率梳
2000年MLL的光谱完整的特征使得倍频链可以被单个MLL代替。如以下部分将更详细讨论的那样，测量能力增强的特点是快速未知光时钟转换频率的表征。OFC的大带宽也允许相对
测量不同种类的正在发展的光学原子时钟，使频率比较低于由Cs为主要参考的限制。
时钟比较：绝对频率测量。如在简介中简要提到，光学原子钟之所以被开发，是因为它们具有更高的过渡频率，比微波同类产品具有更好的频率/时间分辨率。通常，如等式（7）中所述。振荡器的解析度被定义为频率不确定性，delta;nu;，由中心频率nu;缩放。更具体来说，原子钟的频率不确定性是有限的，通过时钟转换对外部环境场的敏感性，以及这些字段的控制程度来测量。因为后者的测量和控制物理参数（温度，电场和磁场，光功率，和背景压力）对于微波和光学时钟是一样的，具有高过渡频率的光学时钟的优势是两面的；可以在对环境的控制不太严格的条件下实现更高的分辨率。相反，在10 GHz信号内相同的分数稳定性需要控制微波跃迁频率为1mu;Hz。结果是光学原子时钟在两个方面仍然有很大的改进空间SWAP（尺寸、重量和功率）和性能，而近年来，微波时钟的发展已趋于平稳。
距离测量和激光测距
光学频率梳到LIDAR（光检测和测距）的应用于2000年首次展示，有许多与传统方法相比的优势。可以使用两种技术来识别宏观距离：粗略的直接飞行时间测量，以及更精细的线性光学采样（LOS）测量。如图5所示，直接飞行时间测量中的最大距离分辨率受光电探测器的响应时间限制，比光脉冲包络宽度慢得多。
基于光频梳的光谱分析。
频率梳是很吸引人的光谱学源，因为它们提供：（1）广谱带宽，适合检测多种分子，（2）高空间相干性，允许更长的路径和更高的灵敏度，以及（3）高频分辨率和在逐个模式的基础上进行测量时的精度。因此已经探索了使用OFC的光谱测量电磁频谱的大部分，从太赫兹对紫外线。还朝向中红外区域的覆盖范围作出了共同努力，以获取更强的分子截面。 更具体地说，直接光谱法OFC已用于研究超冷分子、人类呼吸分析，时间分辨光谱和高精度分子光谱。
展望
在不久的将来，OFC与可移动光学设备集成在一起，这种时钟将重新定义秒的含义。除了全球时钟比较之外，基于频率梳的洲际时间/频率传递可以帮助实现大地水准面的高精度映射，并帮助利用长基线
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