2.3　光学频率梳

飞秒激光频率梳是指被动锁模的飞秒激光器输出的宽带光谱，由被动锁模过程进行模式锁定的数以万计的等间隔排列的相干谱线构成。其任意谱线频率表示为如下简洁的形式：

（‎2-27）

其中，为谱线的序数；frep为飞秒激光器的脉冲重复频率，对应于谱线间隔；fceo称为载波−包络偏移频率（Carrier Envelope Offset Frequency），由飞秒脉冲载波的相速度和外包络的群速度之差引起，使频率梳产生整体频率偏移。正如大多数开创性的技术那样，飞秒激光频率梳的物理图像非常简单，如图 ‎2-17所示。然而，这个简单的概念可以通过实验手段定义一把“光频段的刻度尺”：当未知频率的单色光波落在频率梳范围内时，通过与之相邻的梳齿成分做外差可以实现绝对光频计量。本质上讲，由于frep与fceo均位于射频频段，频率梳技术将光学频率与铯原子微波频标简单而准确地联系起来，这极大地促进了新一代光学原子钟的发展。此外，光学频率梳的应用并不局限在光频计量领域。近年来，基于飞秒激光器的光学频率梳在诸多依赖于精密光电场调控的科学技术领域中成为不可或缺的工具，尤其为阿秒科学、分子光谱学、超稳射频源、时频基准传输、光波段任意波形产生、激光雷达，以及天文光谱定标等方向带来重要突破。2005年，J.L.Hall 和T.W.Hänsch 由于在光频梳方面的原创性工作而获得该年度诺贝尔物理学奖‎[15,16]。光频梳的诞生开创了光学精密测量的新时代。

目前，主流的飞秒激光频率梳包括固体飞秒激光频率梳、光纤飞秒激光频率梳，均由被动锁模机制获得。基于钛宝石飞秒激光器的固体飞秒激光频率梳的性能最为突出，其脉冲宽度可以达到10 fs左右，该频率梳具有优异的相干性，在强场物理、阿秒科学等领域发挥着不可替代的作用。光纤激光频率梳是最成熟的频率梳技术，应用最为广泛，具有结构紧凑、环境适应性好、操作简便等优势，如前文所述，这种频率梳甚至通过了卫星搭载的微重力实验，显示出开展未来空间应用的优势‎[5]。此外，近期快速发展的基于微腔孤子的光学频率梳成为研究热点‎[17]，其产生原理不同于被动锁模。当使用一束连续激光泵浦具有极高Q参数的微谐振腔时，利用腔内光克尔效应产生的复杂非线性频率变换，并结合微谐振腔内参量增益与损耗、色散与非线性间的双重平衡，形成相位锁定的、具有高相干性和低噪声特性的微腔孤子光学频率梳。与被动锁模激光器的光频梳相比，微腔光频梳的梳齿间隔更大，可达数十吉赫量级。

图2-17　飞秒激光频率梳的物理图像