光学频率梳专利技术简述

【摘 要】光频梳作为简单有效的测量装置而备受青睐，其利用锁模脉冲激光器产生超短光脉冲。在频率域上，这些频率谱就像梳子，梳齿间隔相等。光频梳就是一把拥有精密刻度的尺子或定时器，可以通过将光频梳中的飞秒激光与被测光进行拍频来测量光频。光频梳技术对测量和非线性光物理等不同的领域产生显著地影响，本文首先对光频梳的产生进行分析，然后从专利申请、区域分布、技术分支角度分析光频梳的专利总体情况;并对国内光频梳的发展脉络进行梳理。

【关键词】光频梳;专利;激光

中图分类号： O437 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0139-003

0 前言

光频梳的出现是超快光学与精密光谱学完美结合的产物，早在上世纪70年代，德国科学家T. W. H？覿nsch等人就提出了光频梳的概念，他们应用锁模染料激光器进行光谱学研究，发现该脉冲激光器能够共振激发出钠离子4d能级跃迁的精密谱线，进而验证锁模激光器的纵模是由一系列窄带频率梳齿所构成。在此后的三十年里，基于超短脉冲的激光物理技术与基于窄线宽激光器的激光光谱学技术向着似乎不相关联的两个学科方向发展。

光频梳是一种由众多分立、频率间隔严格相等的频谱所组成的宽带光谱光源，它类似于一把剂量频率的尺子，因此也被成为光学频率尺[1]。基本原理是：脉冲激光器的输出在时域上为一系列等间隔的超短脉冲，脉冲宽度一般为几到几十飞秒，重复频率为MHz到GHz，由一系列等间隔光谱线组成的光梳，每个梳齿之间的间隔等于飞秒激光器的重复频率。锁模激光器的输出脉冲可以看作是能量高度集中的波包，而且激光器锁定的纵模越多，脉冲宽度越窄。由于激光腔内存在色散，导致载波在腔内往返一次后不能重现它与包络间原有的相对位相关系， 因此相邻两个脉冲的载波与包络之间呈现相对位相差ΔΦ。这个相移在频域上就对应于理想频梳的频率漂移δ=ΔΦfr/2π，根据频率梳的原理[2]，每个梳齿对应的频率可以表示为：fn=nfr+δ。

1 专利统计分析

1.1 全球和中国专利申请量趋势

1990年之前，光频梳领域的专利申请量还比较少，美国国家标准技术研究院（NIST）的霍尔教授J. L. Hall和德国马普量子光学所（MPQ）的亨施教授T. W. H？覿nsch于2005年被授予了的诺贝尔物理学奖章，而逐渐开启了对光频梳的研究，全球专利申请量大幅增长，并呈现迅猛的递增趋势，上世纪90年代末，基于飞秒掺钛蓝宝石的激光频率梳的提出和实现使光频梳发生了革命性进展。

1.2 全球主要申请人及申请人分布区域

国内光频梳的研究略晚于国际水平，约从2008年起申请量呈稳健递增模式，分析原因，因早起飞秒激光领域在国内发展并不是很成熟，近几年开始，国内的高校、研究所及相关企业的申请量日渐增多，在产生方法和应用领域上也逐渐多样化，到目前为止，我国有关光频梳领域的申请量已经居于世界前位，约占37%，其次是美国的18%和日本的16%。专利技术的申请量一定程度上可以反映一个国家在该技术上的先进程度。专利技术的区域性导致了其在不同的国家出现不同的申请。在光频梳的发展过程中除了对传统的产生方法及应用领域的研究以外，还有逐渐发展起来的，如激光测距、光钟等领域。

光频梳的专利申请在世界各个国家和地区的分布中，美国和日本占据了较大的比例，这些国家的申请人多为企业，体现了光频梳已经发展成为为产品或相应的部件用于实际生产中。而中国的申请人绝大多数为高校和科研院所，也说明光频梳在国内的研究还处于刚刚起步的状态，在科研方面取得了丰硕的成果，而随着国内申请量的不断增加，相信在不远的将来即可实现产学研的有效结合。

2 技术分支与发展脉络

光频梳的产生方式主要有：锁模激光器、单个/级联电光调制器、非线性介质、循环移频器。

2.1 锁模激光器

上世纪70年代，德国科学家T.W. H？覿nsch等人通過超短脉冲激光与精密光谱学两个不同研究领域的交叉，率先利用克尔透镜效应产生的锁模飞秒脉冲激光的重复频率作为光频梳的梳齿间隔，证明了相对误差小于6×10-16的精度。锁模激光器在时域上的输出为周期性脉冲序列，针对周期性脉冲作傅里叶变换得到的在频域上频率间隔相等的光频梳。但激光器内部存在的色散会使包络的相位积累和载波相位积累存在固定的差值，因此需要进行校准。锁模激光器的优点是结构简单，产生的载波数目较多，但是存在载波数目不易控制、平坦度差、载波间隔不确定的缺点。

2007年由KOREA RES INST STANDARDS & SCI提出利用飞秒激光在光注入锁定，将飞秒激光光频梳注入到二极管激光器，从而获得单模激光，在光频梳中仅锁相到单模，并且改变光频率之间的间隔，与半导体激光器的频率一起，同时实现以单一的所需光频率（JP5360828B2）;2010年由IMRA AMERICA INC 提出，通过控制锁模激光谐振腔内的腔内损耗，具体的，集合声光调制器能够使CEO频率控制在MHz调制率，可能比通过光学泵浦调制快许多数量级（US2010225897A）;2012年由广东汉唐量子光电科技有限公司提出的采用谐波锁模的方式产生高重复频率脉冲，从而摆脱了激光器腔长的束缚，在很大程度上放宽了高重复频率脉冲的产生条件，另外，谐波锁模激光器没有腔长度的限制，便于放置色散和偏振控制元件，从而利于实现对激光脉冲特性的调节，以保证激光器输出的稳定性（CN103001114A）;2013年由DELFYETT P J 提出了注入锁模光频梳的实现方法是通过偏振光谱的有源激光腔，消除光学PM边带中固有的稳定化方法（US20150086151A1）;2014年由IMRA INC提出基于被动锁模激光器和光纤激光器的紧凑的光频梳系统，为了通过锁模光纤激光器产生短脉冲，可以在谐振腔内部结合色散补偿元件例如啁啾光纤布拉格光栅或者具有不同色散参数的多个长度的光纤（DE112012002271T）;2014年由北京大学提出通过将掺饵锁模光纤激光器产生光梳的重复频率和光梳的一个模式同时锁定在同一原子系统三能级结构上而获得具有稳定模式的光梳，从而使得频率源获取装置结构紧凑、占的物理空间小，进而满足诸如光纤通信等应用对频率源装置便携性的要求（CN103825168A）。

2.2 单个/级联电光调制器

常见的级联的电光调制器主要是通过控制射频源幅度、偏置电压、频率等参数来改变输出光频梳性能，该方法具有子波间隔稳定、产生方式较为简单等优点，但是若想获得较大的载波数目需要的射频驱动电压较高，载波的平坦度也不够理想。

2006年由独立行政法人情报通信研究机构提出了采用单一的调制器来产生具有平坦谱线特性的光频梳的光频梳发生装置，可以产生光学频率间距相同并且具有平坦的谱线特性的光频梳信号（JP2007248660A）;2006年由株式会社光コム研究所提出了为了获得稳定的光频梳，光频梳发生器的光学调制器包括通过激光光束的电光晶体π弧度的光学调制的调制指数每次循环被执行到所述激光束，以产生光频梳（JP2006337832A）;2011年由COVEGA CORP 提出采用一种双并行调制器，其输入光频率信号在一个中心频率梳齿，一个RF信号在一个频率对应于一期望梳齿间距的光频梳（US20110007383A1）;2014年由上海交通大学提出了一种基于射频信号驱动级联光电相位调制器和光电强度调制器的梳齿频率间隔可扫频的光频梳产生装置及产生方法，通过产生装置产生的光频梳相位相干，梳齿频率间隔可在宽带范围内保持相位连续地扫频，产生的光频梳相位、频率稳定（CN103941515A）;2016年由上海交通大学提出的通过将本地光经电光调制和声光调制得到光脉冲，将其作为探测脉冲光信号输入测试光纤，将得到的瑞利背向散射光信号与本地光耦合拍频后进行光电转换并解调，从而实现光频率发射（CN105490738A）。

2.3 非线性介质

利用高非线性介质中的非线性效应如自相位调制、级联四波混频来得到大带宽的光频梳，这种方式产生的光频梳数目较多，但是存在载波平坦度不好、载波数目不可控等缺点。

2006年由DOKURISTSU GYOSEI HOJIN SANGYO GIJUTSU SO提出一种光频梳发生器能够获得一种光学梳齿具有优选的S/N，脉冲激光束输入高非线性光纤后由高非线性光纤中的高非线性效应进行展宽后得到宽带光频梳，并具有优选的S/N（WO2007119449A1）;2008年由MAX PLANCK GES FOERDERUNG WISSENSCHAFTEN提出一光频梳发生器包括一激光装置用于产生输入激光，一电介质的微谐振器具有一个空腔，其具有三阶非线性，使得所述谐振器能够提供参数变化的光（US20080285606A1）; 2011年武汉邮电科学研究院提出了通过连续光激光器输出的光束，经过至少两个调制器调制后，得到有频率搬移的梳状波，再用放大器进行光功率放大后，输入至高非线性光纤产生四波混频效应，最后经波长选择开关调整光束（CN102338965A）;2013年由日本电信电话株式会社提出产生宽度光频梳具有高信噪比，该光频梳发生器包括使扩展带宽的调制频率轴上的信号通过一种非线性介质（JP201575614A）;2014年由上海朗研光电科技有限公司提出差频过程所需的两个信号光产生自同一个非线性混频过程，可自动消除差频过程产生的信号光的相位噪声（CN103825176A）;2015年由中国科学院半导体研究所提出利用方环形等特殊形状的电注入窗口，通过调节注入电流实现间距可调的双横模正方形激光器，其产生的光信号放大后经过高非线性光纤内级联四波混频效应展宽可获得可调谐光频梳（CN104765217A）。

2.4 循环移频器

其基本原理是利用循环频移来增大产生的载波数目。这种方式的优点是产生的光频梳数目较多、平坦度较好，但是存在载波相位关系不明显、载波噪声较大等缺点。

2011年由武汉邮电科学研究院提出光源为多个波长不同的激光器、光频梳、循环移频器RFS或者采用F-P腔滤波器的多路光载波产生装置中的一种，用于输出多个频率稳定的光载波（CN102437990A）;2013年由中国科学院物理研究所提出通过优化光纤振荡器的腔内净色散、振荡器中引入内腔调制器和采用前反馈的声光移频器等技术，来实现低噪声的光纤激光频率梳装置，同时声光移频器的使用，可以精确调控光频梳的载波包络相移频率（CN103633537A）。

3 总结

正是由于光頻梳的发明，才使得人们能够用微波频标直接测量光学频标，进而为发展更高精度的下一代光钟、实现标定微波频标提供了可能，这在频率测量史上具有很大的意义，同时也促进了精密光谱学、阿秒激光物理等学科的进一步发展，光频梳技术在未来仍然具有很强的发展潜力，随着国内高校、研究所及相关公司的进一步探究，光频梳将会在科技前沿开辟更广阔的领域，未来也会得到更广泛的应用。

【参考文献】

[1]Holzwarth R， Udem T， H？nsch T W， et al. Optical frequency synthesizer for precision spectroscopy[J].Physical review letters， 2000， 85（11）： 2264.

[2]Udem T， Holzwarth R， H？覿nsch T W.Optical frequency metrology[J]. Nature， 2002，416（6877）：233.