关于光学频率梳的概述
06061102 扈琦
摘要：光梳技术，秒的新标准。

引言：从1958年激光被首次成功制造至今，这个光学新的领域获得了异乎寻常的飞快发展，它使我们能够有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。

现在，一种新型的激光——“光学频率梳”诞生了，它就像一把“光尺”，使人类能够对光学频率实现及其精密的测量。

这里我将简要说明光学频率梳的结构以及其广阔的前景。

一、光梳结构
光学频率梳由“锁模激光器”产生，是一种超短脉冲激光。

超短光脉冲的载波由单一频率的光构成，这种光会在光谱上该频率显示为一条竖线，表示只存在该频率的光波。

在这里，锁模激光器发射的光脉冲的两个特征成为了研制光学频率梳的关键。

第一个特征是，包络相对于载波发生微小位移，导致脉冲发生细微变化。

脉冲包络的峰值，可以和对应的载波波峰同时出现，也可以偏移到载波的波峰同时出现，该偏移量被称为脉冲位相。

第二个特征，锁模激光器以重复频率发射脉冲序列。

这种脉冲序列光的频谱不是以载波频率为中心向两边连续延展，而是形成许多离散的频率。

这个频谱分布很像梳齿，彼此间隔与激光器的重复频率精确相等。

但在通常情况下，前后两个脉冲的位相会发生一些不可预知但却固定不变的偏移，这时，梳齿的频率会偏离重复频率的整数倍，出现零点漂移，使得梳齿频率不可确定。

随着钛宝石激光器的出现，德国马普量子光学研究所的Theodor. W. Hansch 利用新型激光器证明了输出光梳输出光谱两端的光梳谱线具有确切的对应关系，使得光梳真正的可以被作为“光尺”使用。

二、光梳技术应用
光学原子钟 光学原子钟是迄今为止，人类制造的最精确的时钟，它的精度已经超过了1967年来一直作为标准的微波原子钟。

光学原子钟将在空间导航、卫星通信、基础物理问题的超高精度检。

化学探测器研究人员已经演示了利用光梳的超灵敏化学探测器，目前正在研制商业化仪器的样机。

这种探测器，能够让安检人员更快捷的识别爆炸物及危险病原体等有害物质。

医生可以通过检测病人呼出的气体的化学成分来诊断疾病。

超级激光器利用光学频率梳，许多激光器输出的激光脉冲可以合称为单束光脉冲序列。

合成激光的相干性极好，就像是同一个激光器发出来的一样。

这种技术将来有望对从无线电波到X射线的电磁波谱实现相干控制。

长途通信使单根光纤传输的信号量增加好几个数量级，所需的只是一把光梳，各通道之间的干扰也将减少，尤其是安全通信，将从光梳的运用上获得许多好处。

激光雷达激光雷达用激光来测定远距离目标的位置、速度和性质。

用光学频率梳产生的特定波形的激光，有望将雷达的灵敏度和探测范围提高几个数量级。

三、秒的新定义
稳定的光学频率梳发明以后，精确测量连续波激光器的频率就变得轻而易举了。

像倍频链一样，基于光梳的频率测量仍然需要以铯钟作为标准。

首先，必须测量光梳的零点偏移频率和光梳梳齿的频率间隔。

有了这两个数据，我们就能计算出所有梳齿对应的频率。

接下来，就要把待测激光与光梳的光混合在一起，测量激光与最接近它的梳齿产生的拍频频率，也就是两者频率差。

这三个频率都属于微波频段，可以用铯钟非常精确的进行测定。

至此，光梳的这些优点使得时间标准从微波的向光学的转变。