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指导

近日，加州理工学院Kerry Vahala教授和Amnon Yariv教授以及加州大学圣塔芭芭拉分校John Bowers教授团队展示了一种新型光学微腔游标光谱仪，实现了宽范围内光学频率的快速准确检测。光谱。 精确测量，其精度已超越大多数商用波长计和光谱仪。 该研究成果于3月1日以“Vernier spectrometer using counterpropagating soliton microcombs”为题发表在《科学》杂志上。

背景

可调谐激光器在传感、光谱、光通信等领域有着广泛的应用，但实时准确测量其频率一直存在困难。 过去光纤光谱仪的原理，光频率的测量依赖于波长计、光谱仪等设备。 测量原理主要是基于光的干涉和衍射效应。 对机械部件的依赖导致其响应速度往往无法匹配激光器的调谐速度。 本世纪初发明的光频梳，可以将光频率的测量转化为电频率的测量，大大提高了测量的速度和精度，并因此获得了2005年诺贝尔物理学奖。 光频梳可以看作是一把测量光频的尺子，它由许多等频率间隔的梳齿组成。 通过将待测激光与光频梳的齿进行比较，可以非常准确地确定其频率。 但是，如果仅仅依靠单个光梳，测量结果将面临多值化的问题。 类比游标卡尺的工作原理，研究人员引入了第二个不同齿距的光频梳，通过比较两个光梳的测量结果解决了多值问题。 这种游标光谱仪不仅可以对宽光谱上的固定频率激光进行高精度测量，还可以实时测量快速调谐激光、密集光谱等复杂波形。 然而，传统光学频率梳（光纤锁模激光器和钛蓝宝石锁模激光器）体积庞大、成本高光纤光谱仪的原理，限制了该类游标光谱仪的广泛应用。

创新研究

在这项工作中，研究人员展示了一种基于反向传播孤子光梳的宽带、高速、高分辨率微谐振器孤子光谱仪 (MSS)。 孤子光梳是一种利用克尔效应在高品质因数光学微腔中实现的锁模光学频率梳。 与传统光频梳相比，孤子光梳具有体积小、成本低、集成度高等优点。 在以往的研究中发现，通过同时沿顺时针和逆时针方向泵浦微腔，可以产生一对独立可控的孤子光梳。 不仅如此，它们还可以非常容易地锁相，大大增强了每对梳齿频率的相对稳定性，大大提高了游标光谱仪的精度。

使用微游标光谱仪，研究人员首先测量了一系列固定激光器的频率，并与波长计进行了比较。 两者的相对偏差不超过0.1 pm。 研究人员还对快速扫频激光进行了实时测量，不仅准确测量了超过10THz/s的扫频速度，还区分了非线性和不连续的扫频过程。 使用扫频激光，研究人员还测量了氰化氢分子的吸收光谱，并使用微型游标光谱仪校准测量结果，使参考值与小数点后六位以上的值相匹配。

使用改进的算法，光谱仪还可以同时测量多个激光的频率，即使它们间隔非常近。 在实验上，研究人员测量了光纤锁模激光器产生的光梳光谱，间距约为 250 MHz。 商用光谱仪的分辨率不足以分辨如此密集的光谱，但使用微型游标光谱仪，研究人员可以清楚地区分每一个梳齿，并对每条谱线的频率进行精确测量。

应用前景

这种基于反向传播孤子光梳的微游标光谱仪可以高速、高分辨率地测量光频率。 通过与可调谐激光器结合，该系统可应用于高灵敏度化学检测、激光测距等场合。 在未来的工作中，研究人员希望进一步将光学微腔与激光器和探测器集成，实现全芯片游标光谱仪。

该论文的共同第一作者包括来自加州理工学院的博士生杨起帆、沈伯强和王鹤鸣，通讯作者为Kerry Vahala教授。

要闻速览

图 1：微游标光谱仪的概念、实验装置图和固定频率激光的测量。 (a) 使用反向传播孤子光频梳测量激光频率的概念图。 (b) 实验装置图。 (c) 反向传播孤子梳的频谱。 (d) 计算信号相关函数以消除多值性。 (e) 孤子光梳的干涉光谱。 (f) 测得的激光波长。 (g) 波长计测量数据的偏差。

图 2：调频激光和化学吸收峰的测量。 (a) 线性扫描激光器的频率测量。 (b) 步进 FM 激光器的频率测量。 (c) 用调频激光测量的氰化氢吸收峰。 (d) 氰化氢的部分能级图和跃迁频率（红色：实测值；蓝色：理论值）。

图 3：锁模激光器光谱的测量。 (a) 实验装置图。 (b) 被测光频梳在传统光谱仪上的测量结果。 (c) 在微游标光谱仪上测试的光学频率梳的测量结果。 (d) 测量结果与拟合结果的比较。 (e) 测量结果与拟合结果之间的偏差。

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