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頻準技術視野 | 光學頻率梳：現代光學的革命性工具
從精準捕捉大氣中溫室氣體軌跡的 “環保哨兵”，到為航天器丈量星際距離的 “精準標尺”，光學頻率梳正以驚人的力量悄然改變著多個領域。這種特殊激光光源產生的光譜，由一系列等間距的尖銳譜線組成，如同梳齒般整齊排列，因此被形象地稱為 “光梳”，堪稱現代光學領域當之無愧的革命性工具。
光頻梳具有三大核心優勢
超寬光譜范圍：可將光學或微波參考頻率的準確度與穩定度傳遞到其它目標波段。
超高穩定性：在寬波段范圍內實現高穩定激光輸出。
多功能應用：滿足激光絕對頻率測量、量子精密測量、量子信息技術和光纖通信等高端應用領域需求。
頻準光梳技術突破
國內對光學頻率梳展開研究已經超過20年，相關性能在研究領域已達到國際頂尖水平，但目前相關產品的產業化程度仍然不夠，國內市場在光學頻率梳產品方面仍依賴國外。目前，上海頻準激光科技股份有限公司最新一代光電一體式緊湊型光頻梳有了突破性的進展，將原本占據半個光學平臺的系統壓縮至標準19寸3U機箱內，同時其性能指標達到國際先進水平。
獨創的種子光源技術方案：
頻準激光光學頻率梳種子光源部分采用獨創性的技術方案，通過精準控制色散和腔內損耗，在高重頻情況下實現極低的鎖模閾值，輸出穩定的超快激光脈沖，具有長期穩定、結構緊湊、成本低、容易自啟動等優點。
高信噪比的偏頻信號：
光頻梳的工作原理基于兩個核心參數：重復頻率（frep） 和 載波包絡偏移頻率（fceo） 。其中，重復頻率決定了梳齒間距，而載波包絡偏移頻率則決定了整個梳狀結構的偏移。由于光頻梳脈沖內載波傳輸速度與包絡脈沖的群速度有差異，存在一個載波包絡相位偏移，體現在頻域上即為fceo頻率（偏頻）。
在頻準激光的技術方案中，主要采用自參考的方式來獲得偏頻信號，具體實現過程如下：首先將低噪聲超快脈沖激光進行功率放大，后壓縮至極限脈寬附近，再輸入到高非線性光纖中進行波長拓展，獲得可覆蓋一個倍頻程的寬譜輸出，將長波成分進行倍頻后與寬譜輸出中短波部分進行拍頻獲得偏頻信號。通過這一系列的優化，在100kHz分辨率帶寬下，偏頻信號的信噪比可達50dB以上，如圖1所示。
圖1. PD探測的高信噪比fceo信號
波長拓展技術：
光學頻率梳雖常用于測量不同波長的光學頻率，但其飛秒光源自身光譜范圍較窄，僅約幾十納米。因此，需對其光譜能量進行拓展，以實現超寬光譜覆蓋，從而滿足不同波段任意光學頻率的測量或頻率參考需求。
頻準激光波長拓展采用全光纖技術路線，通過對低噪聲的飛秒光源輸出的激光脈沖進行功率放大和脈寬控制獲得高能量高峰值功率脈沖，再將該脈沖通入到高非線性介質（例如高非線性光纖、晶體光纖或波導）中，注入激光在傳播時會產生較強的非線性效應，如自相位調制、受激拉曼散射、四波混頻、色散效應和孤子效應等。在這些非線性效應的共同作用下，種子激光的光譜被不斷調制而產生新的頻率成分實現波長拓展，最終使光譜覆蓋可見光和紅外波段獲得超寬的光譜范圍，結果如圖2和圖3所示。
圖2.典型結果一，超連續譜范圍500nm-2200nm
圖3.典型結果二，超連續譜范圍1000nm-2200nm
全波段穩頻方案：
在精密測量中，常用的原子類型主要有銣、鍶、銫、鐿等，每種原子的操控均需要5-6種對準原子特定躍遷譜線的激光波長，其波長覆蓋了500-2200nm超寬的波段范圍，同時對激光頻率穩定性提出了更高的要求。一般來說，把各波長的激光頻率參考到超穩腔上是一個比較理想的選擇，但是眾多波長的激光器都參考到各自的超穩腔上不太現實，需要龐大的系統和高昂的成本。而光學頻率梳通過光譜拓展技術覆蓋500-2200nm全波段，只需鎖定到單一超穩激光器，即可為所有波長提供同等穩定的頻率參考，大幅簡化系統并降低成本，是多波長激光鎖頻的理想解決方案。
頻準激光飛秒激光源經波長拓展模塊處理后，可獲得 500-2200nm 的超寬光頻范圍。由此產生的超連續譜進入多波長拍頻模塊，與參考激光或待鎖定激光進行拍頻，輸出相應的拍頻信號。該信號被送入伺服鎖定系統后，即可實現對光梳的鎖定，或完成對其他需穩定激光器的鎖定，如圖4所示。
圖4.全波段穩頻系統示意圖
對該系統穩定性性能進行評估，如下圖所示。
1055nm到2110nm傳遞穩定度環外穩定度達到2.44E-17@1s，7.46E-19@100s
光頻鎖定穩定度<5E-18@1s，<5E-20@100s
Fceo鎖定穩定性<3E-17@1s，<3E-20@100s.
射頻鎖定后阿倫偏差，gate為1s，穩定度2E-13@1s（受限測試設備）
頻準光梳卓越性能
（1） 光梳種子源：實現重頻頻率100MHz/250MHz，重頻改變范圍>500kHz/4MHz，重頻自由漂移<50Hz@24h。
（2） 偏頻探測模塊：fceo線寬<10kHz，fceo信噪比>50dB@100kHz RBW，fceo自由波動范圍<10MHz。
（3） 超連續譜脈寬：波長范圍涵蓋500nm-2200nm，光功率>50mW。
（4） 鎖頻穩定性：fceo鎖定穩定性<3E-17@1s, fbeat鎖定穩定性<1E-17@1s，fr鎖定穩定性<2E-13@1s。
（5） 全波段頻率鎖定：500-2200nm超寬的波段范圍任意波長鎖定。
光頻梳應用前景
高性能緊湊型光頻梳憑借其超精密、寬光譜、高穩定的特性，在不同應用場景中展現出獨特價值：
天文學和宇宙學
天體的光譜信息是研究宇宙膨脹、暗能量、系外行星的關鍵，但傳統光譜儀的校準精度有限。光梳作為 “絕對光譜標尺”，可大幅提升天體光譜測量的精度。
精確測量
光梳的寬頻譜覆蓋和超高頻率穩定性使其成為 “測量標尺”，可實現長度、時間、頻率等物理量的精確測量。
氣體分析
氣體分子（如 CO?、CH?、VOCs）的振動 / 轉動能級躍遷會產生特征吸收光譜，光梳的寬頻譜覆蓋和超高光譜分辨率使其能快速、精確識別氣體成分與濃度。
醫學診斷
生物組織、細胞及代謝產物（如呼出氣體、血液成分）的光譜特性與疾病密切相關，光梳的高分辨率和寬光譜能力可捕捉這些細微變化，實現疾病的早期診斷。
關于頻準
上海頻準激光科技股份有限公司成立于2017年，是國家高新技術企業和國家級專精特新小巨人企業。于上海市嘉定區徐行鎮張江科技示范園，現有員工四百多人，其中博士十余名，高級工程師多名。頻準激光致力于高端單頻光纖激光器的研發與生產，為國家重大項目提供了國際一流的激光技術和產品。
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