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(wei) 等間距離散的梳齒，相當於(yu) 數十萬(wan) 台的相位相互鎖定的單頻激光器共線同步輸出。光梳頻譜覆蓋範圍極廣且單個(ge) 梳齒線寬極窄，兼具赫茲(zi) 量級的頻率穩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(ge) 梳齒即是頻率尺上的刻度。光梳為(wei) 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(wei) 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(wei) 鎖模激光器，需要將鎖模脈衝(chong) 的重複頻率fr和載波位相零頻f0溯源至基準頻率。2013年以前，光梳大多是基於(yu) 鈦寶石或摻稀土元素晶體(ti) 的全固態光梳，或是基於(yu) 非保偏光纖構建的光纖光梳，而這些光梳僅(jin) 能在恒溫恒濕的實驗室環境運行，且需要頻繁維護，不適應外場環境。因此，探索鎖模激光器全保偏光纖化，確保脈衝(chong) 的非線性演化進程不受外界環境幹擾，成為(wei) 實現光梳長期連續穩定運轉的核心問題。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範圍的光譜輸出，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、脈衝(chong) 壓縮器、超連續譜單元、f-2f幹涉儀(yi) 、fr和f0信號鎖相環。其中，鎖模光纖激光器用於(yu) 產(chan) 生初始的低能量脈衝(chong) 種子光；光功率放大器將種子光脈衝(chong) 的平均功率進行提升；脈衝(chong) 壓縮器在時域上壓窄脈衝(chong) 寬度，提升脈衝(chong) 峰值功率；超連續譜單元通過光子晶體(ti) 光纖或高非線性光纖將脈衝(chong) 光譜拓展至超過1個(ge) 倍頻程；而後，f-2f幹涉儀(yi) 將超連續譜的低頻成分倍頻並與(yu) 高頻成分進行拍頻；采用光電探測器獲取f0信號和fr信號，並將它們(men) 與(yu) 參考時鍾源比較得到誤差信號，再經電子電路處理並反饋至鎖模光纖激光器的相應部件上。

控製激光器重複頻率的方法

采用壓電陶瓷（PZT）

僅(jin) 對鎖定fr而言，可采用壓電陶瓷（PZT）控製激光諧振腔的幾何長度，或通過抽運調製非線性（pump-induced Refractive Index Change, RIC）控製腔內(nei) 傳(chuan) 輸介質的折射率。PZT具有體(ti) 積小、分辨率高、推力可選、不發熱等優(you) 勢。

目前，基於(yu) PZT的重複頻率鎖定精度一般在毫赫茲(zi) 。然而，利用PZT控製激光器重複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、環境擾動比較敏感等等。

RIC技術

RIC技術是通過控製有源光纖上的抽運功率，調節增益光纖上能級反轉粒子數以及激光增益，從(cong) 而影響腔內(nei) 脈衝(chong) 的峰值功率和光譜寬度，並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複頻率。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(zi) 的重複頻率鎖定精度。圖1所示為(wei) 采用RIC技術在基於(yu) 非線性放大環鏡鎖模的摻鉺光纖激光器上實現的重複頻率鎖定結果，1s積分時間下重複頻率鎖定標準偏差為(wei) 77μHz。與(yu) PZT技術相比，RIC技術無須給鎖模激光器增加機械部件，易於(yu) 實現全光纖化。不足之處在於(yu) RIC技術尚無法實現fr和f0的同時鎖定，僅(jin) 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(liang) 種方式。主動方式是利用f-2f幹涉儀(yi) 獲得f0信號後，主動反饋至控製鎖模激光器的部件上，如調製抽運光抽運源，這一點與(yu) RIC技術類似。被動方式主要是通過非線性差頻消除兩(liang) 個(ge) 同源脈衝(chong) 的相位漂移。該方法是將源於(yu) 一台激光器的飛秒脈衝(chong) 進行非線性頻率變換（如光參量或超連續譜），選取譜帶中的高頻和低頻進行光學差頻，即產(chan) 生載波相位自穩定的超短脈衝(chong) 。被動方式無需複雜反饋回路，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(yu) 振蕩器腔內(nei) 脈衝(chong) 演化進程密切相關(guan) 。通過控製振蕩器的抽運功率和腔內(nei) 脈衝(chong) 的偏振態，或利用聲光移頻器進行前饋控製均可實現f0信號的鎖定。圖2為(wei) 在非線性放大環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℃在實驗室環境下，f0鎖定時長超過1周。

圖2 閉環情況下載波包絡偏移頻率，頻率掃描範圍200 kHz，頻率分辨率為(wei) 100 Hz

光纖光梳產(chan) 業(ye) 化發展

光纖光梳光源特別是光纖超短脈衝(chong) 激光器產(chan) 品化的發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衝(chong) 光纖激光器產(chan) 品化的探索工作，並湧現出如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(ge) 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(chan) 品型號。德國Toptica公司於(yu) 2004年起建立超快光纖激光體(ti) 係，現已將業(ye) 務拓展到光梳領域，結合光學差頻方法，可提供420 nm至2200 nm波段範圍內(nei) 選擇輸出。

近十年，在國家科技和產(chan) 業(ye) 政策的引導下，華東(dong) 師範大學、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。另一方麵，國內(nei) 的超快激光器公司也如雨後春筍式爆發，如朗研科技、安揚激光、國神光電、頻準激光等專(zhuan) 注於(yu) 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(ye) 都相繼推出了超快激光器產(chan) 品。上海朗研光電科技有限公司（朗研科技）在國家重大儀(yi) 器專(zhuan) 項項目和國家重點研發計劃項目的支持下，以“產(chan) 學研”的形式開發包括XFiber Elite/Pro/Advance、SyncLaser等多個(ge) 係列的超快激光器產(chan) 品，以及XFFC係列光纖光學頻率梳。

圖3 上海朗研光電創新研發的光學頻率梳及超快激光光源儀(yi) 器，具有光機電一體(ti) 化集成、穩定性高的特點，內(nei) 置軟件可實現輸出遠程控製。

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麵化係統的基礎上，朗研科技研發的超快激光器通過了多家第三方單位的嚴(yan) 苛測試，如高低溫循環測試、三維振動測試、高空跌落測試、長途運輸測試等。光源產(chan) 品在工業(ye) 加工生產(chan) 線7×24小時不間斷運轉超過2年以上。

隨著中國裝備製造業(ye) 的迅猛發展，全球超快激光技術和應用爆發式增長，特別表現在工業(ye) 精細加工、晶圓隱形切割、玻璃切割、疾病診斷和治療、THz產(chan) 生和探測、生物醫學雙光子或Cars顯微成像、激光直寫(xie) 和3D打印、基礎科學研究等領域。目前，光纖超快激光器的產(chan) 業(ye) 化形式十分樂(le) 觀，中低功率核心器件已基本實現國產(chan) 化，高功率器件在未來的幾年內(nei) 也日趨成熟，逐步達到量產(chan) 規模。但目前，光纖超快激光器（特別是光學頻率梳）的裝調方式尚處於(yu) 全手工階段，各大公司的量產(chan) 能力尚待提升。因此，係統整機售價(jia) 的降低、更大規模應用的開發尚需時日。

作者簡介

郝強1，沈旭玲2，曾和平1,2

1上海現代光學係統實驗室，光學信息與(yu) 計算機工程學院，上海理工大學

2精密光譜科學與(yu) 技術國家重點實驗室，華東(dong) 師範大學