光学频率梳的原理及其应用

光学频率梳（OFC）是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。随着光通信技术的飞速发展，OFC由于其在光学任意波形产生、多波长超短脉冲产生和密集波分复用等领域的广泛应用吸引了越来越多学者的关注。

光学频率梳已经成为继超短脉冲激光问世之后激光技术领域又一重大突破。在该领域内，开展开创性工作的两位科学家J. L.Hall和T. W. Hansch于2005年获得了诺贝尔奖。

原理上，光学频率梳在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列，在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络，其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡慢变包络的时间宽度满足傅里叶变换关系。

超短脉冲的这种在时域和频域上的分布特性就好似我们日常所用的梳子，形象化的称之光学波段的频率梳，简称"光梳"。

光梳相当于一个光学频率综合发生器，是迄今为止有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将铯原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中。

获得光梳的关键首先是实现稳定的超短脉冲输出，其次是实现对该超短脉冲序列在时域及频域的精密控制，即对超短脉冲的载波包络相位和激光脉冲重复频率的控制。早期的光梳光源都是基于传统的钛宝石飞秒激光器构建而成。

美国天体物理联合实验室J.L. Hall教授等人首次利用自参考f-2f技术实现了载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，这标志着飞秒光学频率梳的诞生。

光频梳技术的相关应用：

1.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。

2.光学原子钟 

光学原子钟是迄今为止，人类制造的精确的时钟，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。

3.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。

4.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。