飛秒光學頻率梳，簡稱“飛秒光梳”或“光梳”。光梳在頻率域和時間域上均表現為等間距離散的梳齒，相當于數十萬臺的相位相互鎖定的單頻激光器共線同步輸出。光梳頻譜覆蓋范圍極廣且單個梳齒線寬極窄，兼具赫茲量級的頻率穩(wěn)定度和飛秒量級的時間分辨率。如同米尺可用來測量距離一樣，光梳可用來測量光學頻率，每個梳齒即是頻率尺上的刻度。光梳為微波頻標、原子頻標、光頻標等多種頻率標準提供了鏈接橋梁，也為精密光譜、天文物理、量子操控等科學領域提供了理想的測量工具。

光學頻率梳基本架構

光梳的基本構架為鎖模激光器，需要將鎖模脈沖的重復頻率fr和載波位相零頻f0溯源至基準頻率。2013年以前，光梳大多是基于鈦寶石或摻稀土元素晶體的全固態(tài)光梳，或是基于非保偏光纖構建的光纖光梳，而這些光梳僅能在恒溫恒濕的實驗室環(huán)境運行，且需要頻繁維護，不適應外場環(huán)境。因此，探索鎖模激光器全保偏光纖化，確保脈沖的非線性演化進程不受外界環(huán)境干擾，成為實現光梳長期連續(xù)穩(wěn)定運轉的核心問題。此外，通過選取不同種類的摻雜光纖，光纖光梳可以實現比鈦寶石光梳更寬范圍的光譜輸出，如1.0 μm波段的摻鐿光纖光梳可覆蓋600-1400 nm，1.5 μm波段的摻鉺光纖光梳可覆蓋1000-2200 nm，2.0 μm波段的摻銩光纖光梳可覆蓋1350-2700 nm。

通常情況下，光纖光梳包括鎖模光纖激光器、光功率放大器、脈沖壓縮器、超連續(xù)譜單元、f-2f干涉儀、fr和f0信號鎖相環(huán)。其中，鎖模光纖激光器用于產生初始的低能量脈沖種子光；光功率放大器將種子光脈沖的平均功率進行提升；脈沖壓縮器在時域上壓窄脈沖寬度，提升脈沖峰值功率；超連續(xù)譜單元通過光子晶體光纖或高非線性光纖將脈沖光譜拓展至超過1個倍頻程；而后，f-2f干涉儀將超連續(xù)譜的低頻成分倍頻并與高頻成分進行拍頻；采用光電探測器獲取f0信號和fr信號，并將它們與參考時鐘源比較得到誤差信號，再經電子電路處理并反饋至鎖模光纖激光器的相應部件上。

控制激光器重復頻率的方法

采用壓電陶瓷（PZT）

僅對鎖定fr而言，可采用壓電陶瓷（PZT）控制激光諧振腔的幾何長度，或通過抽運調制非線性（pump-induced Refractive Index Change, RIC）控制腔內傳輸介質的折射率。PZT具有體積小、分辨率高、推力可選、不發(fā)熱等優(yōu)勢。

目前，基于PZT的重復頻率鎖定精度一般在毫赫茲。然而，利用PZT控制激光器重復頻率的方案存在一些不足，比如位移遲滯非線性和蠕變效應、需要較高的操作電壓、環(huán)境擾動比較敏感等等。

RIC技術

RIC技術是通過控制有源光纖上的抽運功率，調節(jié)增益光纖上能級反轉粒子數以及激光增益，從而影響腔內脈沖的峰值功率和光譜寬度，并進一步影響高階色散、自陡、非線性頻移、群速度色散等，最終綜合影響激光器的重復頻率。在保偏光纖激光器中，采用RIC技術已實現了低至數十微赫茲的重復頻率鎖定精度。圖1所示為采用RIC技術在基于非線性放大環(huán)鏡鎖模的摻鉺光纖激光器上實現的重復頻率鎖定結果，1s積分時間下重復頻率鎖定標準偏差為77μHz。與PZT技術相比，RIC技術無須給鎖模激光器增加機械部件，易于實現全光纖化。不足之處在于RIC技術尚無法實現fr和f0的同時鎖定，僅適fr或f0的單一頻率鎖定。

圖1 RIC技術的重頻鎖定精度

主動和被動鎖定f0

對鎖定f0而言，可采用主動和被動兩種方式。主動方式是利用f-2f干涉儀獲得f0信號后，主動反饋至控制鎖模激光器的部件上，如調制抽運光抽運源，這一點與RIC技術類似。被動方式主要是通過非線性差頻消除兩個同源脈沖的相位漂移。該方法是將源于一臺激光器的飛秒脈沖進行非線性頻率變換（如光參量或超連續(xù)譜），選取譜帶中的高頻和低頻進行光學差頻，即產生載波相位自穩(wěn)定的超短脈沖。被動方式無需復雜反饋回路，頻率鎖定精度沒有主動方式高。f0信號的強度、位置、線寬等指標與振蕩器腔內脈沖演化進程密切相關。通過控制振蕩器的抽運功率和腔內脈沖的偏振態(tài)，或利用聲光移頻器進行前饋控制均可實現f0信號的鎖定。圖2為在非線性放大環(huán)鏡鎖模的摻鉺光纖激光器上實現的偏頻鎖定結果。目前，在±2℃在實驗室環(huán)境下，f0鎖定時長超過1周。

圖2 閉環(huán)情況下載波包絡偏移頻率，頻率掃描范圍200 kHz，頻率分辨率為100 Hz

光纖光梳產業(yè)化發(fā)展

光纖光梳光源特別是光纖超短脈沖激光器產品化的發(fā)展趨勢和應用領域日益清晰。國外早在2000年左右就開始了超短脈沖光纖激光器產品化的探索工作，并涌現出如Menlosystems、Toptica、IMRA等知名公司。德國Menlosystem公司是全球領先的光梳光源供應商，推出了多個版本的光纖光梳光源，包括緊湊型光梳、低噪聲光梳、中紅外光梳等產品型號。德國Toptica公司于2004年起建立超快光纖激光體系，現已將業(yè)務拓展到光梳領域，結合光學差頻方法，可提供420 nm至2200 nm波段范圍內選擇輸出。

近十年，在國家科技和產業(yè)政策的引導下，華東師范大學、西安光機所、國家授時中心等高校科研院所逐步開始了光纖光梳的工程樣機開發(fā)。另一方面，國內的超快激光器公司也如雨后春筍式爆發(fā)，如朗研科技、安揚激光、國神光電、頻準激光等專注于超快激光器的公司，以及大族激光、華日激光、德龍激光等激光加工設備企業(yè)都相繼推出了超快激光器產品。上海朗研光電科技有限公司（朗研科技）在國家重大儀器專項項目和國家重點研發(fā)計劃項目的支持下，以“產學研”的形式開發(fā)包括XFiber Elite/Pro/Advance、SyncLaser等多個系列的超快激光器產品，以及XFFC系列光纖光學頻率梳。

圖3 上海朗研光電創(chuàng)新研發(fā)的光學頻率梳及超快激光光源儀器，具有光機電一體化集成、穩(wěn)定性高的特點，內置軟件可實現輸出遠程控制。

在應用端需求的牽引下，在多種差異化的光纖激光器結構和桌面化系統的基礎上，朗研科技研發(fā)的超快激光器通過了多家第三方單位的嚴苛測試，如高低溫循環(huán)測試、三維振動測試、高空跌落測試、長途運輸測試等。光源產品在工業(yè)加工生產線7×24小時不間斷運轉超過2年以上。

隨著中國裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，全球超快激光技術和應用爆發(fā)式增長，特別表現在工業(yè)精細加工、晶圓隱形切割、玻璃切割、疾病診斷和治療、THz產生和探測、生物醫(yī)學雙光子或Cars顯微成像、激光直寫和3D打印、基礎科學研究等領域。目前，光纖超快激光器的產業(yè)化形式十分樂觀，中低功率核心器件已基本實現國產化，高功率器件在未來的幾年內也日趨成熟，逐步達到量產規(guī)模。但目前，光纖超快激光器（特別是光學頻率梳）的裝調方式尚處于全手工階段，各大公司的量產能力尚待提升。因此，系統整機售價的降低、更大規(guī)模應用的開發(fā)尚需時日。

作者簡介

郝強1，沈旭玲2，曾和平1,2

1上?，F代光學系統實驗室，光學信息與計算機工程學院，上海理工大學

2精密光譜科學與技術國家重點實驗室，華東師范大學