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话说光频梳 精选

已有 4829 次阅读 2022-11-10 08:30 |个人分类:感想|系统分类:观点评述

如果你说你要用连续激光泵浦的环形微环腔产生飞秒脉冲,人家肯定说你疯了。但是如果你换个说法,说用微环腔做光梳,立刻显得非常高大上。即使在微环腔独行天下的今天,仔细想想就知道,微环腔也是得先激发出孤子脉冲,才能做成稳定光梳,对吧?可事情就是这么诡异,几年前,有人还真的用微环腔去申请GHz飞秒激光器的项目,结果铩羽而归。而最近哈佛大学的一篇文章显示,微环腔开始反噬飞秒脉冲了。

1.      什么是光频梳?

光频梳是在频域的等间隔的分立光谱,像梳子一样,所以叫光频梳,口语也简称为光梳。作为光频测量的工具,原子或分子跃迁频率虽然可以作为频率标准,一则数目有限,二来不均匀,人们一直幻想有一种频率间隔相等,间隔又在射频带宽之内的光频梳出现。1960年代末期起有人就想用激光级联谐波链的方法,或调制的方法产生光频梳,但是都不太成功,不是光谱间隔太大,就是光谱范围太窄。

2.      做宽光谱的人差点抢了做窄线宽的人的饭碗

锁模激光器诞生后,人们意识到锁模后的激光器纵模可能看成一种光频梳。可是要作为真正的光频梳,还有问题没解决:因为腔内有色散,锁模脉冲的光谱中,纵模模式的频率间隔在光谱的中间和两端是不是一样的?确定频率间隔容易,如何确定那个神秘的初始频率,也就是第一个梳齿频率和绝对零频的差?

对于频率间隔的均匀性,马克斯普朗克研究所的人还真就测了一下。结果发现,脉冲光谱中心的频率间隔和光谱两端的频率间隔之间的误差不会超过10-15。接下来,就是如何确定那个神秘的初始频率了。

做频梳和频链的人,实际上是一拨把窄线宽激光器做成频率标准的人。而做锁模激光器的人,是把脉冲光谱越做越宽的人。这两拨人本来是八竿子打不着、谁也不挨谁的人。可是,正是在飞秒激光的光谱越做越宽、脉冲越做越窄的时候,有个关键参数显露出来。而正是这个参数,差点让做飞秒的人抢了做光频标的人的饭碗。

这个参数,就是载波包络相位差,即脉冲包络的峰值,与临近载波的周期峰值之间的相位差。

这个相位差,是控制少周期尤其是单周期脉冲中电场的关键参数,在时域是很难测的。这时候有人根据傅里叶变换,导出一个公式,就是载波包络相位和作为频率梳的初始频率的关系。这样,这个时域的参数,就可以在频域轻易测量出来。因为是从载波包络相位来的,这个相位差英语是:carrier envelop offset,而当时CEO这个时髦名词正风靡世界,所以干脆缩写为ceo,这个频率也就命名为fceo。导出公式并命名为fceo的那个人,就是瑞士联邦工业大学的女神级教授 Ursula Keller。众所周知,她是做飞秒的人。她还同时提出了测量fceo的方法:基频-倍频拍频法(f-to-2f)。这个本来是测量控制脉冲电场参数的方法,却奠定了自参考飞秒光梳的理论和技术基础。

自参考光梳,就是不依赖光学频率标准,只依靠射频频率标准(例如射频原子钟),就能做出稳定的光学频率标准的方法。而测量fceo就是关键。所以,自从诺贝尔奖颁给了Theodor Hansch,她就一直愤愤不平。她的论文是1999年发的,而Hansch的论文比她还晚一年呢!没办法,Hansch做光频链的时候你还上初中呢。不过,米国光学学会(现在叫Optica)还是给了她一个Towns奖,表彰她在octave-spanning lasers, frequency comb technology上的贡献。看看,这两个关键词:倍频程、频梳技术,明确说明了是她的原创。

但是怎样才能做到跨倍频程的光谱呢?

1990年代中期,在英国南汉普顿大学(很快转到巴斯大学)的几个人,想把三维结构光子晶体弄成二维的,就拉出来一种被光子晶体包围的光纤。这是一种用一根实心棒和六角对称排列的很多空心玻璃管捆在一起拉成的光纤,通过调整光纤直径空气占比,可以使光纤的色散在可见光为零,也可让色散在通信波长为正。更神奇的是,对于固定的光纤直径,在很大的波长范围内,光都是以单模传播的。

对色散非常敏感的做飞秒的人,一下子就看到这根光纤的巨大意义:如果把一个飞秒脉冲射入到这样又细、又没有色散的光纤里,会出现什么现象?结果大家都猜到了:白光!或比倍频程更宽的光谱!这不正是拍出fceo需要的吗?

接下来就是如何锁定重复频率frep和初始频率fceo。都锁定了,这个叫光频梳的仪器也就顺理成章地诞生了。

因为是飞秒激光做出来的频梳,是先有飞秒激光脉冲,后有的光梳。为了区别用其他方法做出来的光梳,常管它叫飞秒光梳。做飞秒的人和做频标的人,也就完美地结合在了一起。

3.      孤子和微环腔的纠缠

当做飞秒光梳的人沉溺于自己的重大成果的时候,一直在研究微环腔非线性光学的人不服。他们压根就不想和飞秒发生什么关系。他们设想,把连续激光射入到高Q值的腔内,让四波混频和腔模相互作用,不必非要什么飞秒,一定能出来光梳一样的东西。因为谐振腔本来就有谐振频率,谐振频率间隔就是消光谱区间。光通信中本来就有用微环腔做滤波器或波分复用器的做法,只不过微环腔热稳定性太差,很早就被淘汰了。

的确,将连续光输入微环腔能出来几百GHz间隔的梳状的光谱,但是很不稳定,还会有多组频梳状东西同时出现。这也很容易理解,因为四波混频混出来的频率间隔是相等的,而腔内模式间隔因为色散是不均匀的。直到2014年,人们才发现,在泵浦光的波长调谐到一个波长段时,光谱突然变得稳定了。时域上看,就是稳定的孤子脉冲。这个“孤子台阶”是一个重大的发现。本来微环腔产生光梳并不非得生成孤子。但是只有形成孤子,才能在微环腔中形成稳定的“相干光梳”。孤子是什么?难道不是超短脉冲吗?孤子是怎么形成的?不就是自相位调制和负色散的平衡吗?那微环腔的作用是什么?难道不是产生纵模吗?

做微环腔的人变得也快。最近哈佛大学就抛出一篇Nature子刊论文说,用电光调制加克尔效应在微环腔中高效得到了336fs的脉冲。还特别强调说,这是产生飞秒脉冲的“新方法”。新方法?你倒是早说呀!申请那个重点基金的人,肯定恨死哈佛那个叫龙茶(Loncar)的人了!我早就提出了呀!再说,就算你提出的,要是早发两年给我助阵,我哪至于申请不上那个项目啊!

4.      不测fceo,能叫光梳吗?

有的叫“光梳”的东西不是真正的光梳,因为没有锁定甚至也没有测量过fceo。对fceo不敏感的应用来说,这倒也无妨。不过要做频率标准用的光梳,还是得锁定fceo,其中“自参考”可能是目前最好的方法。其他方法都有局限性,例如光梳与两个光频的锁定,首先是稳定的窄线宽光频源很不容易获得,两个就更不容易。其次,即使有这样的频率源,也会有一定的漂移,知道fceo是多少也是必要的。

要测fceo,就得有倍频程光谱。对于激光频率梳,现在已经都是成熟技术。可是,当微环腔的频率间隔降到射频带宽受限的频率时,形成孤子需要的泵浦光偏离谐振频率更远、以至于耦合效率更低,孤子光谱带宽更窄,这就需要腔外放大、脉冲压缩和扩谱。

一个非常典型的例子是米国国家标准局(NIST)研究人员为了用基频-倍频拍频法做成自参考的微环腔梳,将一个16.4GHz的微环腔输出的脉冲,经过逐线控制、两级脉冲放大、两级非线性光纤扩谱、一级脉冲压缩,才将光谱扩到跨倍频程,测出了fceo

到这里我们知道了,在射频带宽受限的范围内,微环腔做成完整光梳的技术,和用飞秒激光器做光梳的技术,几乎没有区别,甚至还要多几个步骤。虽然也有号称能直接产生多个倍频程带宽的光谱的,真正能拍出足够信噪比的fceo,并牢固锁定的光梳,似乎还没有出现。因为光谱仅仅宽还不够,还必须“相干”。

接下来需要攻坚的是,单脉冲能量小于100pJ的扩谱器件和耦合技术。这可能包括1平方微米以下截面积的铌酸锂、氮化硅、氮化铝等高非线性介质波导,以及如何提高耦合效率的技术。这个难题的攻破,可能会给微环腔光梳带来新的生机。




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