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文字 | 北京大学张志刚教授

几年前，如果你说你要用连续激光泵浦环形微腔产生飞秒脉冲，人们会说你疯了。 但是换个说法，说用微腔做光梳，立马就显得很高大上了。 然而，最近有迹象表明微腔已为飞秒脉冲做好准备。 做激光脉冲真的过时了吗？ 让我们回溯一下历史，看看光频梳与飞秒激光脉冲之间是什么关系，又将如何发展。

开始做光频梳的人真的很难

光频梳是频域内等间距的离散光谱，像梳子一样，所以称为光频梳，也简称为光梳。 光梳的频率间隔一般为几十MHz到几GHz，而光频为几百THz。 所以光梳的初衷是作为光频和射频之间的桥梁。 60年代后期虽然有人想用激光级联谐波链法，90年代后期有人用调制法产生光频梳，但都不是很成功，要么是光谱间隔太大，要么是光谱范围太窄。

直到20世纪90年代固态飞秒激光器出现，人们才尝试将这种宽带锁模激光器用作光梳。 但是，固态锁模激光器的纵模不能直接看成光频梳，还有一个问题需要解决：由于腔内存在色散，锁模激光器的光谱中pulse，纵模模式的频率区间在频谱的中端和两端之间。 不一样？ 确定频率区间很容易，但是如何确定神秘的初始频率呢？

对于频率间隔的均匀性，马克斯普朗克研究所的人还真测了。 发现脉冲频谱中心的频率间隔与频谱两端的频率间隔之间的误差不超过10-15。 接下来，如何确定神秘的初始频率，即第一个梳状频率和绝对零频率之间的差异。

做飞秒的人和做频链的人，其实就是一群做广谱的人和一群做窄线宽的人。 这两拨人本来就遥不可及，谁也没有被对方伤到。 然而，当飞秒激光的光谱越来越宽，脉冲越来越窄时，有一个关键参数需要测量。 而就是这个参数，差点让做飞秒的人抢了做窄线宽人的饭碗。

做宽谱的差点抢了做窄线宽的饭碗

该参数为载波包络的相位差，即脉冲包络的峰值与相邻载波的周期峰值之间的相位差。

这种差异是控制少周期特别是单周期脉冲电场的关键参数，在时域上很难测量。

这时候有人根据傅立叶变换推导出一个公式，就是把载波包络的相位和初始频率的关系当作频率梳。 这样，这个在时域上很难测量的参数，在频域上就可以很容易地测量出来。 因为它来自于载波包络的相位，这个相位差英文是：carrier envelope offset，缩写为ceo，所以这个频率有个时髦的名字：fceo。 推导出公式并将其命名为fceo的人是瑞士联邦理工学院女神级教授Ursula Keller。

而众所周知，她就是制造飞秒的人。 她还提出了一种测量fceo的方法：基频-倍频程拍频法（f-to-2f）。 这本来是一种控制脉冲电场参数的测量方法，却为自参考飞秒光梳奠定了理论和技术基础。

自参考光梳不依赖光频标准，仅依靠射频标准（如射频原子钟）做出稳定的光频标准，测量和锁定fceo是关键。 因此，当诺贝尔奖颁给西奥多·汉施时，她一直很委屈。 她的论文是1999年发表的，Hansch的论文比她晚了一年！ 不会吧，Hansch搞光频谐波链的时候你还在读初中。

学术界是公平的。 2015 年，美国光学学会（现称为 Optica）授予她 Towns 奖，以表彰她在倍频程激光器、频率梳技术方面的贡献。 你看，这两个关键词：倍频程，频率梳技术，分明就是光频梳是她独创的！

但是，如何才能跨越八度音程来绘制频谱呢？

20世纪90年代中期，英国南安普顿大学（即将调往巴斯大学）的几个人想把光子晶体的三维结构做成二维，于是他们拉出了一种被光子晶体包围的光纤。 这是一种由实心棒和许多呈六角对称排列的空心玻璃管捆绑在一起的光纤。 通过调整光纤的直径和空气的比例，可以使光纤在可见光中的色散为零。 更神奇的是，对于固定的光纤直径，光在很大的波长范围内以单模传播。

对色散非常敏感的飞秒工程师一眼就能看出这种光纤的重大意义：如果将一个飞秒脉冲注入到这么细且无色散的光纤中，会发生什么？ 结果大家猜到了：白光！ 或者比八度更宽的频谱！ 这不正是你拍摄 fceo 所需要的吗？

接下来就是如何锁定重复频率frep和初始频率fceo，这些都是小菜。 全部锁定，这个叫做光频梳的仪器顺理成章地诞生了。

因为是飞秒激光做的频率梳，先有飞秒激光脉冲，再有光梳。 为区别其他方法制成的光梳，称为飞秒光梳。 这样，做飞秒的人和做频率标准的人就完美结合了。

孤子和微腔的纠缠

当做出飞秒光梳的人陶醉于自己的重大成就时，一直研究微腔非线性光学的人却心存不满。 这些人不是锁模激光器出身的，根本不想和飞秒扯上关系。 他们设想，将连续激光注入高Q腔，让四波混频和腔模相互作用，不需要什么飞秒，光梳之类的东西肯定会出来。

因为谐振腔已经有了谐振频率，谐振频率区间就是谱消除区间（FSR）光纤傅里叶变换光谱仪，高Q腔允许腔模连续相互作用产生等距谱线。 在光通信中，微腔已被用作滤波器或波分复用器，但热稳定性太差，因此很少有人使用。

将连续的光输入各种微腔中，确实可以产生间隔几百GHz的梳状光谱，但是很不稳定，会同时出现多组频率梳状的东西。 直到2014年才发现，当泵浦光的波长调谐到一个波段时，光谱突然变得稳定。 在时域中，它是一个稳定的孤子脉冲。

这个“孤子步”是一个重大发现。

本来，微腔不必产生孤子来产生梳状光谱。 但只有形成孤子，才能在微腔内形成稳定的“相干光梳”。

孤子是如何形成的？ 不就是自相位调制和负色散的平衡吗？ 微腔的作用是什么？ 不是产生纵模吗？ 孤子形成不就是模式锁定吗？ 更尴尬的是，由于孤子的形成需要泵浦光远离微腔的谐振频率，光转换效率不足3%，远低于固相的10%~20%。态激光器，甚至比光纤激光器还差40%~50%。 %。 因此，做微腔的人往往有意无意地回避转换效率。

没想到，fceo，这也能叫光梳？

有些称为“光梳”的东西并不是真正的光梳，因为没有锁定，甚至没有 fceo 的测量。 对于对 fceo 不敏感的应用程序，这很好。 但是要做频率标准的光梳，还是需要锁定fceo。 “自参考”可能是最好的方法，因为它不依赖于标准光频率。 所有其他方法都有局限性。 比如光梳锁定两个光频，首先要获得一个稳定的窄线宽光频源并不容易，要获得两个就更难了。 其次，即使有这样的频率源光纤傅里叶变换光谱仪，也会有一定的漂移，需要知道fceo是多少。 频率间隔越大，需要测量的 fceo 就越多。 由于频率间隔变大，fceo的不确定范围变大，单梳频率的不确定范围也相应增大。

要使用自参考法测量 fceo，您必须具有倍频程频谱。 对于激光频率梳，已经是一项成熟的技术。 然而，当微腔的频率间隔降至 20 GHz 以下时，电子器件的带宽受到限制，形成孤子所需的泵浦光离谐振频率更远，从而导致光转换效率较低，孤子光谱带宽更窄。 这需要腔外放大、脉冲压缩和扩频。

一个很典型的例子是2016年国标局Diddams组的16.4GHz微腔，为了用倍频基频拍频法制作自参考微腔光梳，经历了line-by - 线控两级脉冲放大，两级非线性光纤扩频，一级脉冲压缩，将脉冲压缩到

至此我们终于明白，在电子设备有限的带宽范围内，用微腔制作完整的光梳和用飞秒激光制作光梳几乎没有区别，甚至还多了几个步骤. 是一个复杂的脉冲整形器（pulse shaper）。

微腔的飞秒值

由于微腔梳也是锁模的，它可以产生超短脉冲。 哈佛大学 Loncar 小组的一篇论文指出，通过 Gaker 效应的电光调制，可以在微腔中有效地获得 336 fs 的脉冲。 还要特别强调的是，这是一种产生飞秒脉冲的新方法。 这让人想起80年代的“主被动锁模（active+passive mode locking）”。 事实上，人们很早就开始关注微腔输出的时域特性。

2011 年，NIST 的 Diddams 小组通过逐行调制使微腔输出为 2.5 ps 脉冲，以补偿色散。 随后，普渡大学Weiner组也采用逐行调制方式，将微腔输出的脉冲压缩到430 fs。 还有就是上面提到的2016年NIST的Diddams组用逐行调制得到的200fs脉冲。

逐行调制实际上是一种复杂的方法。 它需要使用带有光栅分光和空间相位调制器的4f系统，效率也很低。 哈佛大学的方法提高了从连续光到脉冲光的转换效率（30%），而且没有使用逐行调制，可以称得上是一种新方法。 但不能省略光纤放大器和色散补偿光纤，要加电光调制。

虽然可以产生飞秒脉冲，但目前仅限于通信波长，无论是光谱形状、梳状线宽还是脉冲形状都不能说符合激光脉冲的审美。 其主要价值在于：“片上”直接生成10GHz以上的飞秒脉冲串。 相比之下，固态激光器飞秒激光器的重复频率已经超过23GHz，直接输出脉冲宽度为140fs。 半导体微片激光器可直接输出570 fs，重复频率为100 GHz。

光学频率梳的光谱要求

在微腔光梳经常使用的光谱学领域，微腔光梳可能也非常有限。 科罗拉多大学高速双梳光谱研究表明，对于一个大气压下线宽为3-5GHz的气体光谱（如甲烷），考虑到1GHz频率间隔是“黄金”刷新率和分辨率。 mark”。10GHz以上，分辨率变差，丢失大量光谱信息；30GHz以上，什么也检测不到。微腔光梳能不能做到1GHz？这可能是微腔光梳的短板。

扬长避短或攻坚克难

综上所述，不管用什么方法产生光梳，其实都离不开飞秒。

在低于 20 GHz 的带宽受限范围内，飞秒光梳仍然是不可替代的。 在不需要绝对频率的场合，微腔光梳还是有竞争力的，比如测距。 在需要绝对频率的场合，例如测量大气中二氧化碳的浓度，则可能无法实现。 NIST 的 Diddams 承认，在晶圆上制作自参考微腔光学频率梳极其困难。 它的难度不亚于微芯片。

德国联邦物理技术研究所（PTB）的Riehle表示，如果必须投入巨额研发成本，微腔光梳能够产生绝对频率的那一天可能永远不会到来。 对于飞秒光梳，小型化、长期稳定性、超窄线宽、扩展波长等是保持其竞争力的关键和发展方向。