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亦真亦幻天文梳 精选

已有 2851 次阅读 2022-11-23 15:30 |个人分类:科研纪实|系统分类:科研笔记

前文说到光频梳,这次说说光频梳的一种特殊形式:天文光频梳。

天文光谱仪是没有标尺和刻度的。天文梳是光梳提供的均匀频率间隔和强度的刻度谱线。和光频梳不同,天文梳测量光频不是靠拍频,而是靠光谱线在光谱仪的位置。当然这是粗略的说法,实际上是测量大量谱线与天文梳的互相关。天文梳的重要性在于能够通过测量多普勒频移,测出太阳系外行星、特别诱人的是宜居带内的类地行星的质量。

每逢谈起天文梳,国家天文台的科学家们就摇头。自从激光频率梳被提出作为新型天文光谱仪定标工具——天文梳,科学家们就期盼我国天文台也能用上我国自己研发的这种新型定标仪。时间过去了十多年,真正能用的天文梳在哪儿?说它没有吧,不算买外国的,一直有人在做,还不断有人说能做,甚至有新近的立项要做;说它有吧,还都不能真的派上用场,包括从外国买来的。真可谓“亦真亦幻”了。

 1.    天文梳到底难在哪儿

让我们首先看一下天文光谱仪需要什么样的天文梳。

光谱覆盖范围:可见光380nm-920nm。近红外:920nm-2000nm

梳齿间隔:满足光谱仪可分辨的频率间隔。最佳频率间隔是光谱仪分辨率的3倍。

这个要求并不高,甚至比一般的光频梳还要低一些,比如频率稳定度,只要求10-11,梳齿线宽MHz量级也可以接受,因为光谱仪分辨率没有那么高。

那天文梳究竟难在哪儿?

首先,成熟的飞秒激光器的波长并不在可见光波段,而在近红外;

其次,飞秒激光器的重复频率,一般在几百MHz到1GHz,而且很难直接达到几十GHz。

2.    潜在的陷阱:先扩谱还是先滤波

为了使激光器既能达到光谱仪可分辨的频率间隔,又能覆盖所需要的波长,通常的方法就是滤波和扩谱(+波长变换),只不过是哪个先哪个后的问题。

这里看起来没什么影响的先后顺序,实际上,隐藏着一个巨大的陷阱。

定标需要大频率间隔,即高重复频率。而光梳的扩谱,需要的是高脉冲能量和高峰值功率,这恰恰是低重复频率激光器的特征。

通过非线性光纤、比如光子晶体光纤扩谱到足够宽,假如脉宽在100fs左右,根据笔者和他人的经验,单脉冲能量要250pJ以上。这对于激光器输出的数百兆重复频率的脉冲来说,比如250MHz,平均功率只有62.5mW。即使是1GHz,平均功率也只有250mW。这个平均功率,对于高非线性光纤来说,不会造成什么损坏。

但是如果是重复频率是50 GHz呢,平均功率就变成了12.5 W!把这样高的功率入射到光子晶体光纤中,特别是锥形光子晶体光纤中,光子晶体光纤可能会烧掉。

有用36pJ在氮化硅波导扩谱到倍频程的例子,需要注意的是,耦合效率只有15%,实际上入射脉冲总能量是 240pJ。

而先扩谱,后滤波,就轻松多了,平均功率只需要几十到几百mW,就可以扩谱到整个可见光域。

先扩谱、后滤波的难度在哪儿?那就是宽带法布里珀罗腔(FP腔)的设计和镀制,以及FP腔的锁定。首先,100THz带宽的啁啾镜国内设计和镀制没有问题。其次,真空内固定间隔的FP腔,可以轻易解决FP腔锁定问题,那就是——根本不用锁定。

3.      一步到位的电光调制光梳  

仍然有人认为滤波太费事,他们追求一步到位地产生数十GHz频率间隔的脉冲。

美国国家标准局(NIST)研究人员用3个调制器串联调制出30GHz重复频率、波长1微米的脉冲列。接下来的活儿就和做激光天文梳无异了:放大、FP腔滤波、放大、压缩、扩谱。这一连操作串下来,也摆满了一大台子。怎么还有FP腔滤波?这是因为调制出来的光的梳齿有很大的“热噪声”。于是就得用FP腔再滤一次。结果还是没逃脱FP“腔”的束缚。射频调制的射频源是哪儿来的呢?这就让人联想到先有鸡还是先有蛋的问题:低噪声30GHz微波源本来是想从光频梳提取的,现在是先需要30GHz的射频源。

4.      斜刺里插进来的微腔光梳

微腔光梳在高速光通讯、高采样率光谱学、高速测距等方面显示出很大潜力。自从十几年前“微腔光梳”被提出来,不少人就憧憬着用微腔做天文梳,理由是:天生的大频率间隔。

2019年,国际上两个做微腔光梳的研究组,同时发表了其研制的微腔天文梳定标测试结果。两个微腔的频率间隔分别是22.1GHz23.7GHz,波长都在1.5微米附近。不同的是,一个是用连续光泵浦,一个是用脉冲光泵浦。这个脉冲光,实际上一个电光梳泵浦。这样可使微腔的孤子脉冲自启动和自锁定。他们无一例外,都要经过放大、脉冲压缩和扩谱的过程。

遗憾的是,他们的定标精度与激光梳比,还有不小的差距。

5.  可见光天文梳的梦魇

目前发表的无论是微腔梳,还是电光梳,都工作在近红外波段,特别是微腔光梳。其冠冕堂皇的理由,是银河系中的恒星,70%都是M-矮星,即偏冷而光谱偏红的恒星。而我们知道,多,并不是我们感兴趣的理由。

背后的原因,是红外光梳比可见光容易做,特别是微腔光梳。还有一个支撑条件,是他们的光谱仪感光成像器件可以探测1微米以上的波长。由于众所周知的原因,我国没有这个波段的高分辨率感光器件。

从科学上看,在和太阳相似的黄矮星光谱中,蓝光甚至紫外波段,金属的吸收谱线更多、更密,携带的信息更多。因此,做可见光甚至紫外天文梳,更有意义。

可见光天文梳的难度又增加了一个:多频率间隔。这是因为天文光谱仪分辨率是按波长的,而梳齿间隔由光谱仪的分辨率决定。因此,整个光谱不能只有一个频率间隔。如果只有一个频率间隔,就会出现在长波长段可以分辨的光谱,到了短波长就分辨不了的情况。而且,根据奈奎斯特定理,最佳频率间隔应该是光谱仪分辨率的3倍。多于和少于这个最佳频率间隔,都会导致定标精度的下降。

正如赫瑞-瓦特大学的天文梳专家D. Reid教授指出的,为了达到类地行星搜寻的视向速度测量精度,天文梳的梳齿间隔,应该是每隔100THz一个,它们的波长范围分别是:375-435nm、435-515nm、515-630nm、630-815nm, 815-1115nm、1115-2000nm。如果光谱仪的分辨率是40,000,对应的梳齿频率间隔分别是:60GHz、52GHz、41GHz、35GHz、27GHz和20GHz。

根据这个建议,在1微米以上的近红外波段确实只需要单一频率间隔的天文梳。而在可见光波段,就需要4段不同的频率间隔的天文梳。这对激光梳来说,也许就是选择4个不同频率间隔的FP腔而已;而对于电光梳来说,难道要做4个不同调制频率的电光梳不成?对于微腔光梳,也许在片子上做几种频率间隔的微腔不算什么,但是微腔材料要不要改变?泵浦波长要不要改变?扩谱之前要不要放大?作为需要长期稳定的天文梳,每个波长和每个微腔,要不要先做成稳定的光梳?

如果说激光梳还有两种选择,还可以在低平均功率、高脉冲能量下倍频和扩谱的话,电光梳和微腔梳,就只能硬着头皮去啃低脉冲能量下扩谱和波长变换的硬骨头了。

6. 求真务实,行稳致远

电光梳也好,微腔梳也好,不过就是高重复频率脉冲发生器而已,用其做天文梳,并不能解决激光频率梳遇到的工作波长和光谱覆盖区间以及平坦化的难题。何况,微腔光梳还有一个最大的bug:如何把自己先锁定成真正能用的光频梳。

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一种技术,总有它的应用范围。超出范围,可能新奇一时,长久还是会被淘汰。这样的例子很多。比如飞秒激光断层扫描(OCT)做眼底成像,在1990年代中期曾风靡一时。现在怎么样呢?几乎没有一家医院的眼科用飞秒激光OCT,用的都是小巧而经济的扫频半导体激光器做光源的OCT。究其原因,不外乎飞秒激光器太大、太贵而又不便于维护,做眼科OCT又用不到飞秒激光的高功率和短脉冲特性,属于超配。

我在访问加州大学圣芭芭拉分校附近的Las Cumbres Observatory Global Telescope Network (LCOGT)时,那里的天文学家Tim Brown对我说,无论如何,天文梳不能比我的天文光谱仪还贵。

买得起马还配不起鞍吗?

不是,是常识告诉我们,鞍子不能比马贵,何况市场上有很多好用又便宜的鞍子可选呢。




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