Войти
В оптике, А частоты гребенчатый является лазерным источником которого спектр состоит из ряда дискретных, равномерно распределенных частотных линий. Частотные гребенки могут быть созданы с помощью ряда механизмов, включая периодическую модуляцию (по амплитуде и / или фазе) непрерывного лазера, четырехволновое смешение в нелинейных средах или стабилизацию последовательности импульсов, генерируемой лазером с синхронизацией мод.. Этому последнему механизму, который был разработан на рубеже 21-го века и в конечном итоге привел к тому, что в 2005 году половина Нобелевской премии по физике была разделена между Джоном Л. Холлом и Теодором У. Хэншем, была посвящена большая работа.
Частотной области представление идеальной частотной гребенки представляет собой серию дельта - функций расположены в соответствии с
где - целое число, - расстояние между зубцами гребенки (равное частоте следования лазера с синхронизацией мод или, альтернативно, частоте модуляции), и - частота смещения несущей, которая меньше чем.
Гребни, охватывающие октаву по частоте (т. Е. С коэффициентом два), могут использоваться для прямого измерения (и корректировки дрейфа). Таким образом, гребенки с охватом октавы могут использоваться для управления пьезоэлектрическим зеркалом в петле обратной связи с коррекцией фазы и огибающей. Любой механизм, с помощью которого стабилизируются две степени свободы гребенки ( и), создает гребенку, которая полезна для преобразования оптических частот в радиочастоты для прямого измерения оптической частоты.
Сверхкороткие импульсы света во временной области. Электрическое поле представляет собой синусоиду с гауссовой огибающей. Длительность импульса порядка нескольких 100 фс. 
Гребень Дирака - это бесконечный ряд дельта-функций Дирака, расположенных на интервалах T ; преобразование Фурье из временной области Дирака гребень гребень Дирака в частотной области. Самый популярный способ создания частотной гребенки - использование лазера с синхронизацией мод. Такие лазеры генерируют серию оптических импульсов, разделенных во времени на время обхода лазерного резонатора. Спектр такой последовательности импульсов аппроксимирует серию дельта-функций Дирака, разделенных частотой повторения (обратная времени кругового обхода) лазера. Эта серия резких спектральных линий называется частотной гребенкой или частотной гребенкой Дирака.
Наиболее распространенными лазерами, используемыми для генерации частотных гребенок, являются твердотельные лазеры на сапфировом титане или волоконные лазеры на Er: с частотой повторения обычно от 100 МГц до 1 ГГц или даже до 10 ГГц.
Четырехволновое смешение - это процесс, при котором интенсивный свет на трех частотах взаимодействует с образованием света четвертой частоты. Если три частоты являются частью идеально разнесенной частотной гребенки, то математически требуется, чтобы четвертая частота также была частью той же гребенки.
Начиная с интенсивного света на двух или более равноотстоящих частотах, этот процесс может генерировать свет на все более и более разных одинаково расположенных частотах. Например, если есть много фотонов на двух частотах, четырехволновое смешение может генерировать свет на новой частоте. Эта новая частота будет постепенно становиться более интенсивной, и свет впоследствии может переходить во все новые и новые частоты на той же гребенке.
Следовательно, концептуально простой способ сделать гребенку оптических частот - взять два мощных лазера с немного разной частотой и направить их одновременно через фотонно-кристаллическое волокно. Это создает частотную гребенку за счет четырехволнового смешения, как описано выше.
Альтернативный вариант гребенки частот на основе четырехволнового смешения известен как гребенчатая гребенка Керра. Здесь одиночный лазер подключен к микрорезонатору (например, к микроскопическому стеклянному диску с модами шепчущей галереи ). Такая структура, естественно, имеет серию резонансных мод с примерно одинаковыми частотами (аналогично интерферометру Фабри – Перо ). К сожалению, резонансные моды не совсем равномерно разнесены из-за дисперсии. Тем не менее, описанный выше эффект четырехволнового микширования может создать и стабилизировать идеальную гребенку частот в такой структуре. По сути, система генерирует идеальную гребенку, которая максимально перекрывает резонансные моды. Фактически, нелинейные эффекты могут сместить резонансные моды, чтобы еще больше улучшить перекрытие с идеальной гребенкой. (Частоты резонансных мод зависят от показателя преломления, который изменяется оптическим эффектом Керра. )
Во временной области лазеры с синхронизацией мод почти всегда излучают серию коротких импульсов, а гребенчатые гребенки Керра - нет. Однако специальный подтип гребенки частот Керра, в котором в микрорезонаторе образуется « солитон полости », действительно излучает серию импульсов.
Гребенка оптических частот может быть создана путем модуляции амплитуды и / или фазы лазера непрерывного действия с помощью внешнего модулятора, управляемого радиочастотным источником. Таким образом, частотная гребенка центрируется вокруг оптической частоты, обеспечиваемой лазером непрерывного действия, а частота модуляции или частота повторения задаются внешним источником радиочастоты. Преимущество этого метода заключается в том, что он может достигать гораздо более высоких частот следования (gt; 10 ГГц), чем с лазерами с синхронизацией мод, и две степени свободы гребенки могут быть установлены независимо. Количество линий меньше, чем у лазера с синхронизацией мод (обычно несколько десятков), но полосу пропускания можно значительно расширить с помощью нелинейных волокон. Этот тип гребенки оптических частот обычно называют гребенкой электрооптических частот. В первых схемах использовался фазовый модулятор внутри интегрированного резонатора Фабри – Перо, но с развитием электрооптических модуляторов возможны новые устройства.
Чисто электронное устройство, которое генерирует серию импульсов, также генерирует частотную гребенку. Они производятся для электронных стробоскопических осциллографов, но также используются для сравнения частот микроволн, поскольку они достигают 1 ТГц. Так как они включают 0 Гц, им не нужны трюки, о которых идет речь в остальной части этой статьи.
Для многих приложений гребенка должна быть расширена по крайней мере до октавы : то есть самая высокая частота в спектре должна быть как минимум в два раза меньше самой низкой частоты. Можно использовать один из трех методов:
Эти процессы генерируют новые частоты на той же гребенке по тем же причинам, что обсуждались выше.
Разница между групповой и фазовой скоростью, приводящая к смещению несущей и огибающей Справа видно возрастающее смещение между оптической фазой и максимумом огибающей оптического импульса. Каждая линия смещена от гармоники частоты повторения на частоту смещения несущей и огибающей. Частота смещения несущей и огибающей - это скорость, с которой пик несущей частоты смещается с пика огибающей импульса от импульса к импульсу.
Измерение частоты смещения несущей и огибающей обычно выполняется с помощью метода саморегулирования, при котором фаза одной части спектра сравнивается с ее гармоникой. В 1999 году были предложены различные возможные подходы для управления фазой сдвига несущей и огибающей. Ниже описаны два простейших подхода, для которых требуется только один нелинейно-оптический процесс.
В методе " f - 2 f " свет на стороне с более низкой энергией расширенного спектра удваивается с использованием генерации второй гармоники (ГВГ) в нелинейном кристалле, и между ним и светом с той же длиной волны генерируется гетеродинное биение. на верхней энергетической стороне спектра. Этот сигнал биений, обнаруживаемый фотодиодом, включает компонент разностной частоты, который представляет собой частоту смещения несущей и огибающей.
В качестве альтернативы можно использовать генерацию разностной частоты (DFG). Из света противоположных концов расширенного спектра в нелинейном кристалле генерируется разностная частота, и измеряется гетеродинное биение между этим продуктом смешения и светом на той же длине волны исходного спектра. Эта частота биений, обнаруживаемая фотодиодом, является частотой смещения несущей и огибающей.
Поскольку фаза измеряется напрямую, а не частота, можно установить частоту на ноль и дополнительно зафиксировать фазу, но из-за того, что интенсивность лазера и этого детектора не очень стабильна, и потому что весь спектр колеблется в фазе, нужно синхронизировать фазу на доли от частоты повторения.
В отсутствие активной стабилизации частота повторения и частота смещения несущей огибающей могут свободно изменяться. Они меняются в зависимости от изменения длины резонатора, показателя преломления лазерной оптики и нелинейных эффектов, таких как эффект Керра. Частоту повторения можно стабилизировать с помощью пьезоэлектрического преобразователя, который перемещает зеркало для изменения длины резонатора.
В титан-сапфировых лазерах, в которых для управления дисперсией используются призмы, частота смещения несущей и огибающей может регулироваться путем наклона зеркала с высоким отражателем на конце пары призм. Это можно сделать с помощью пьезоэлектрических преобразователей.
В кольцевых лазерах с титаном: сапфиром с высокой частотой повторения, в которых для управления дисперсией часто используются зеркала с двойным чирпом, для управления частотой смещения часто используется модуляция мощности накачки с помощью акустооптического модулятора. Проскальзывание фазы сильно зависит от эффекта Керра, и, изменяя мощность накачки, изменяется пиковая интенсивность лазерного импульса и, следовательно, величина керровского фазового сдвига. Этот сдвиг намного меньше 6 рад, поэтому необходимо дополнительное устройство для грубой регулировки. Для этой цели можно использовать пару клиньев, один из которых движется внутрь или из лазерного луча внутри резонатора.
См. Также: фазовая автоподстройка частотыПрорывом, который привел к практическому созданию частотной гребенки, стала разработка технологии стабилизации частоты смещения несущей и огибающей.
Альтернативой стабилизации частоты смещения несущей и огибающей является ее полная отмена с использованием генерации разностной частоты (DFG). Если разностная частота света противоположных концов расширенного спектра генерируется в нелинейном кристалле, результирующая частотная гребенка не содержит смещения несущей и огибающей, поскольку две спектральные части, вносящие вклад в DFG, используют одну и ту же частоту смещения несущей и огибающей (CEO частота). Впервые это было предложено в 1999 году и продемонстрировано в 2011 году с использованием частотной гребенки из эрбиевого волокна на телекоммуникационной длине волны. Этот простой подход имеет то преимущество, что не требуется никакого электронного контура обратной связи, как в традиционных методах стабилизации. Он обещает быть более надежным и устойчивым к воздействиям окружающей среды.
Спектр света от двух лазерных частотных гребенок, установленных на высокоточной поисковой установке радиальной скорости. Частотная гребенка позволяет прямую связь с радиочастотных стандартов на оптические частоты. Современные стандарты частоты, такие как атомные часы, работают в микроволновой области спектра, а частотная гребенка вносит точность таких часов в оптическую часть электромагнитного спектра. Простой электронный контур обратной связи может привязать частоту повторения к стандарту частоты.
У этой техники есть два различных применения. Один из них - это оптические часы, где оптическая частота перекрывается с одним зубцом гребенки фотодиода, а радиочастота сравнивается с сигналом биений, частотой повторения и частотой генерального директора (смещение несущей и огибающей). Применения частотной гребенки включают оптическую метрологию, генерацию частотных цепочек, оптические атомные часы, высокоточную спектроскопию и более точную технологию GPS.
Другой - проведение экспериментов с импульсами с небольшим периодом, такими как сверхпороговая ионизация, аттосекундные импульсы, высокоэффективная нелинейная оптика или генерация высоких гармоник. Это могут быть одиночные импульсы, поэтому гребенки не существует, и поэтому невозможно определить частоту смещения несущей-огибающей, важна скорее фаза смещения несущей-огибающей. Второй фотодиод может быть добавлен к установке для сбора фазы и амплитуды за один снимок, или можно использовать генерацию разностной частоты, чтобы даже зафиксировать смещение на однократной основе, хотя и с низкой энергоэффективностью.
Без реальной гребенки можно посмотреть зависимость фазы от частоты. Без смещения огибающей несущей все частоты являются косинусами. Это означает, что все частоты имеют нулевую фазу. Происхождение времени произвольно. Если импульс приходит позже, фаза линейно увеличивается с частотой, но фаза нулевой частоты все равно равна нулю. Эта фаза на нулевой частоте представляет собой сдвиг несущей и огибающей. Вторая гармоника имеет не только удвоенную частоту, но и удвоенную фазу. Таким образом, для импульса со смещением нуля вторая гармоника низкочастотного хвоста находится в фазе с основной гармоникой высокочастотного хвоста, а в противном случае - нет. Спектральная фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля (SPIDER) измеряет, как фаза увеличивается с частотой, но не может определить смещение, поэтому название «реконструкция электрического поля» немного вводит в заблуждение.
В последние годы частотная гребенка вызвала интерес для приложений астро-гребенки, расширив возможности использования этого метода в качестве инструмента для спектрографических наблюдений в астрономии.
Существуют и другие приложения, в которых не требуется синхронизировать частоту смещения несущей-огибающей с радиочастотным сигналом. К ним относятся, среди прочего, оптическая связь, синтез оптических сигналов произвольной формы, спектроскопия (особенно спектроскопия с двумя гребенками) или радиочастотная фотоника.
Теодор В. Хэнш и Джон Л. Холл разделили половину Нобелевской премии по физике 2005 года за вклад в развитие лазерной прецизионной спектроскопии, включая технику оптической частотной гребенки. Другая половина приза была присуждена Рою Глауберу.
Также в 2005 году метод фемтосекундной гребенки был расширен до крайнего ультрафиолетового диапазона, что позволило проводить частотную метрологию в этой области спектра.
