当前课程知识点：光电仪器设计 > 第7章 光电仪器新进展 > 7.1 飞秒激光频率梳 > 7.1 飞秒激光频率梳
大家好 从这节课开始
给大家介绍光电仪器新进展
包括飞秒激光频率梳及其应用
和激光跟踪仪这两个部分
首先我们来看飞秒激光频率梳及其应用
在介绍飞秒激光频率梳之前
我们来看一下
光学长度计量发展历程中的几个里程碑
早在1893年
物理学家迈克尔逊
就提出了一种干涉仪的结构
如左侧这个图所示
这种结构的干涉仪应用非常广泛
人们也称之为迈克尔逊干涉仪
第二个里程碑是激光的发明
这大大降低了干涉仪的构建难度
促进了干涉仪实用化的一个发展
后来在1968年
铂金埃尔默公司发明了零差干涉仪
将测长精度提高到八分之一个波长
再后来
惠普公司也就是后来的安捷伦公司
现在又改名叫作是德科技
发明了外差干涉仪
进一步提高了测量精度
到1983年
国际计量组织用光速进行米定义
使得光波长成为长度基准
促进了长度计量溯源的发展
1996年
Zygo公司进一步提高了干涉仪的性能
达到了两千分之一波长的分辨率
实现了亚纳米级精度的计量
我们这个课上重点要介绍的是
最新的一个里程碑
就是本世纪飞秒激光频率梳的发明
进一步促进了光学长度计量的发展
发明飞秒激光频率梳的两位科学家
也获得了2005年的诺贝尔物理学奖
下面我们就来介绍一下
什么是飞秒激光频率梳
我们先从飞秒激光开始介绍
飞秒激光是指时域宽度
在飞秒量级的超短脉冲激光
脉宽一般在几飞秒到几百飞秒数量级
一个飞秒是10的负15次方秒
非常的短
短到什么程度呢
大家知道光速非常快
但是光在1飞秒的时间内
传播的距离只有0.3个微米
只有头发丝直径的几百分之一
大家可以从这一点
直观地感受到
飞秒激光的脉宽到底有多窄
飞秒激光脉冲
也可以通过数学方法来进行描述
就单个飞秒激光脉冲而言
可以看成是一个激光载波
和一个包络函数相乘所得到的结果
也就是可以写成这样一个数学式子
当激光器不断发出这样的飞秒激光
就构成了一个飞秒激光脉冲序列
它可以看成是单个脉冲
在时间轴上等间隔地复制了n份
数学上可以表示成这个周期函数的形式
在飞秒激光的基础上
我们来介绍一下飞秒激光频率梳
后面我们把它简称为飞秒光梳
还有一种比较常见的叫法是光频梳
从时域上来看
它依然是一个飞秒激光脉冲的序列
这儿我们需要关注两个参数
一个是飞秒激光的重复周期
它的倒数就是重复频率
这个参数反映的是飞秒脉冲序列
在时域上是否等间隔
另一个参数是脉冲包络
和里面载波相位差的演变周期
就是图上标的TCEO
为什么要关注这两个参数呢
我们来看一下
这个飞秒激光脉冲序列的频域
可以通过傅立叶变换得到
由于时域上的脉冲序列
可以看成是单个飞秒脉冲
和一个梳状函数卷积所得到
所以它的频谱就是
单个脉冲的频谱
和梳状函数的频谱相乘所得到
如果单个脉冲包络为高斯函数
那么它的频谱分布也是高斯函数
梳状函数的频谱依然是梳状谱
所以二者相乘之后
就是高斯函数包络下的梳状谱
也就是下面这幅图所显示的形状
像一把频率的梳子
这个也是频率梳这个名字的来历
脉冲时域上的重复频率frep
对应了频域上谱线的频率间隔
脉冲包络和载波相位差的演变周期
对应了初始的偏移频率fCEO
所以频域上第n根谱线的绝对频率
可以写成是n倍的重频
再加上偏频的形式
当重频发生变化的时候
梳状谱在横轴方向就会有放缩
当偏频发生变化的时候
梳状谱整体上就会有偏移
当重频和偏频
这两个频率都被锁定的时候
频域上的每一根谱线的频率也会保持稳定
而普通飞秒激光这两个频率是不锁定的
它们锁定之后就得到了飞秒光梳
这就是普通飞秒激光和飞秒光梳的区别
我们再来看一下这个公式
形式非常的简单
但是意义非常的重大
因为等号左边的是光频
频率在几百THz这样一个数量级
等式右边的重频和偏频都在射频频段
一般在MHz到GHz数量级
这就意味着通过频率梳
可以直接建立光频和射频的定量联系
这在过去是无法想象的
这个定量联系对于光频的计量
具有革命性的意义
另外一方面
重频和偏频这两个射频频率
很容易锁定到现有的频率基准
比如说原子钟上面
这样就使得飞秒光梳的每一个谱线频率
都与原子钟具有同等的相对精度
因此飞秒光梳也可以作为波长基准
用于长度计量
这个内容在后面的标准器的章节当中
也会提到
飞秒光梳有这么神奇的特性
大家肯定很想知道它是怎么产生的
我们接着就来介绍一下
飞秒光梳产生的原理
从这幅图来看
飞秒光梳主要由三部分组成
包括振荡器 放大器
f-2f的干涉仪
首先来看最左侧黑色方框中的振荡器
这是基于非线性偏振旋转效应
所做成的锁模激光振荡器
具体原理如果大家感兴趣
可以去学习锁模激光的知识
在咱们这个课上大家需要了解的是
飞秒激光的重复频率是由腔长所决定
所以锁定重频的策略是
让探测器接收光脉冲
得到实际的重复频率
然后再和频率基准去作拍
根据拍频信号
反馈控制振荡器内的压电陶瓷
实现腔长的反馈控制
从而锁定重频
我们再来关注另一个参数 偏频
要想锁定它
首先得从光频中把它提取出来
在很长的一段时间内
科学家们一直没有什么好办法
直到本世纪才解决
所采用的方法是先用光放大器
将振荡器输出的激光功率放大
然后经过高非线性光纤HNLF进行扩谱
扩谱的要求是
将光谱扩到一个倍频程以上
也就是说长波段的波长
达到短波段波长两倍以上
这样的光谱特别的宽
也被称之为超连续谱
超连续谱通过f-2f的干涉仪
长波段经过PPLN晶体倍频
得到的倍频信号
与原始光谱中的短波信号产生拍频
就能提取偏频fCEO
有了fCEO的信号
就能与频率基准锁定
可以通过反馈控制
振荡器的泵浦电流来实现
听到这儿
可能大家对于偏频信号fCEO的提取
还不太清楚
我们下面再来详细解释一下
这幅图显示的是超连续谱的分布
是通过光谱仪实际测得的信号
由于光谱仪的测量范围不够
所以在大于1750nm的长波段
没能显示出来
但实际的光谱范围覆盖了
从1020nm到2040nm的范围
倍频晶体将2040nm处
序号为n的谱线进行倍频
也就是将f(n)变成了2倍的f(n)
而超连续谱中的短波段
也就是1020nm处
存在序号为2n的谱线
我们看一下2倍的f(n)
和f(2n)的拍频是什么信号
结果发现这正是我们要提取的偏频信号
通过扩谱和f-2f的干涉巧妙地提取偏频
这就是频率梳的核心技术
也是05年因飞秒光梳
得诺贝尔奖的两位科学家的主要贡献
下面我们再看一下
飞秒光梳实际上是什么样的
这幅照片
是我以前在国外实验室
搭建的一套飞秒光梳系统
重频和偏频都实现了
10的负12次方的精度
现在飞秒光梳已经有很成熟的产品
但很遗憾 市场主要被德国
和美国的两家公司所垄断
我在这儿也非常希望
大家能够投身到这项事业中来
去打破国外的垄断
下面对这一小节的内容做一下总结
我主要介绍了两个方面的内容
一个是飞秒光梳的时域
频率特性及二者的联系
请大家理解掌握这个式子
也就是飞秒光梳每一根谱线的频率
和其重频 偏频之间的联系
第二个方面的内容是
飞秒光梳的产生原理
系统结构
请大家重点了解偏频的提取方法
这节课就讲到这儿
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
