什么是光学频率梳激光？原理、种类与用途
光学频率梳是一种在频域中具有大量等间隔谱线的光源。它能够把数百太赫兹量级的光频率与可用电子设备测量的射频基准连接起来，因此常被称为“光频率的尺子”。
本文从时间域和频率域两种视角介绍光学频率梳的工作原理、主要产生方式、应用领域以及稳定运行所需的关键性能。
光学频率梳的基础
在时间域中，光学频率梳表现为以固定周期重复的超短脉冲列；在频率域中，则表现为排列成梳齿状的窄线宽谱线。第n条梳齿的频率通常可写为νn＝fCEO＋n·frep。
重复频率frep和载波包络偏移频率fCEO均可在射频范围内检测和控制。将它们锁定到原子钟等基准后，整组梳齿便具有可追溯性，可用于确定未知连续波激光的绝对频率。
光学频率梳的产生方式
锁模激光频率梳
锁模激光器使谐振腔内多个纵模保持确定的相位关系，从而产生超短脉冲列。其优点是频率稳定性高、带宽容易扩展，常用于计量标准、精密光谱和光钟。
四波混频与微腔频率梳
利用克尔非线性和四波混频，可在微型谐振器中从连续波激光产生等间隔谱线。微腔频率梳尺寸小、梳齿间隔可达到GHz级，适合通信和片上集成，但热稳定性和泵浦条件的控制十分重要。
电光调制频率梳
电光频率梳通过EOM对连续波激光进行相位或强度调制。梳齿间隔可直接由射频信号设定，控制灵活，适合相干通信和微波光子学应用。
主要用途
光学频率梳可用于超精密光谱、原子与分子跃迁测量、光钟比较、绝对距离和三维形状测量。双频梳测量还能在无需机械扫描的情况下同时获得高分辨率和高速数据。
在通信领域，一台频率梳可同时提供多路相位相关的载波；在毫米波和太赫兹领域，不同梳齿之间的拍频可用于产生或测量高频信号。
关键性能与稳定化
选型时应综合评估频率和相位稳定性、梳齿间隔、光谱带宽、平坦度、时间抖动、光强稳定性以及输出功率。线间隔小适合精细光谱，间隔大则更便于分离单条梳齿。
温度变化会通过谐振腔长度和折射率影响重复频率，振动则会造成光路和耦合变化。因此需要采用恒温、低热膨胀结构、防振、合理的光纤走线以及具有足够信噪比的锁相控制回路。
总结
光学频率梳把光频率与射频基准连接起来，是精密计量、光谱、距离测量和多波长通信的重要基础技术。实际系统应根据线间隔、带宽、可控性、小型化和长期稳定性选择合适的产生方式。