中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
光學(xué)頻率梳是一種寬譜的相干光源，由一系列等頻率間隔的離散譜線(xiàn)組成，具有超高的時(shí)頻精度。自誕生以來(lái)，光學(xué)頻率梳為精密光譜學(xué)、光學(xué)測量、相干光通信、光時(shí)鐘等多種應用的發(fā)展帶來(lái)了革命性的變化。近年來(lái)，研究人員通過(guò)新型激光增益介質(zhì)、非線(xiàn)性頻率轉換和微諧振腔等技術(shù)將頻率梳擴展到中紅外光譜區域（2~20μm），進(jìn)一步擴大了光頻梳的應用范圍。
目前，基于鎖模激光器（MLL）、差頻產(chǎn)生（DFG）、光學(xué)參量振蕩（OPO）、超連續譜產(chǎn)生（SC）、量子級聯(lián)激光器（QCL）和克爾微腔的中紅外光頻率梳（MIR-OFC）已經(jīng)被陸續報道。中紅外光頻率梳技術(shù)的發(fā)展為分子物質(zhì)結構和動(dòng)力學(xué)的光譜分析提供了強大的工具，顯著(zhù)提高了“分子指紋”的測試精度、靈敏度和光譜帶寬，使得在大動(dòng)態(tài)范圍內精確研究分子樣品的組成變化成為可能，有望推動(dòng)分子科學(xué)相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。
電子科技大學(xué)光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗室姚佰承教授課題組在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“中紅外光學(xué)頻率梳：進(jìn)展與應用”為主題的綜述文章。其他通訊作者還包括周恒副教授和譚騰博士。姚佰承教授主要從事光信息器件的研究工作，周恒副教授主要從事集成光纖通信芯的研究工作，譚騰博士主要從事基于微腔的光學(xué)頻率梳激發(fā)和調控的研究工作。
頻率梳脈沖序列的時(shí)頻表示，展示了離散的頻率梳線(xiàn)結構
這項研究全面介紹了中紅外光頻率梳的產(chǎn)生機制，重點(diǎn)介紹了中紅外光頻率梳技術(shù)的最新研究現狀及其應用進(jìn)展。
傳統的光頻梳產(chǎn)生方法主要分為三類(lèi)：基于鎖模激光器、基于微腔克爾效應以及基于電光調制產(chǎn)生。利用鎖模機制在中紅外生成光頻梳的原理與近紅外類(lèi)似，即具有寬增益帶的激光活性介質(zhì)在強泵浦作用下實(shí)現粒子數反轉，通過(guò)在諧振腔中插入可飽和吸收材料或器件，可以對腔內光場(chǎng)進(jìn)行調控，實(shí)現超短脈沖的建立并經(jīng)多次循環(huán)壓縮出射超短脈沖，其與近紅外光頻梳最大的區別在于增益介質(zhì)的選取。
基于鎖模激光器的中紅外光頻率梳
基于差頻產(chǎn)生（DFG）中紅外光頻率梳是目前一種主流的激發(fā)方式。與基于DFG的非線(xiàn)性頻率轉換過(guò)程類(lèi)似的是，基于光參量振蕩（OPO）產(chǎn)生中紅外光頻率同樣基于非線(xiàn)性晶體中的二階非線(xiàn)性效應。
基于DFG中紅外光頻率梳
基于OPO產(chǎn)生中紅外光頻率梳
中紅外光頻率梳最初的應用集中在分子的精密光譜。近期實(shí)驗已經(jīng)證明了在大光譜范圍內快速和靈敏地獲取分子光譜的有趣潛力，可預見(jiàn)的應用可能通過(guò)相干控制或非線(xiàn)性現象進(jìn)一步推動(dòng)光譜學(xué)和動(dòng)力學(xué)的前沿。
雖然中紅外光頻率梳已經(jīng)應用于許多領(lǐng)域，但它在科學(xué)和工程領(lǐng)域仍有巨大的研究?jì)r(jià)值和發(fā)展空間。開(kāi)發(fā)性能更高、集成度更高、適用范圍更廣的新型中紅外光頻梳器件以及和其他學(xué)科相結合的前沿跨學(xué)科研究，未來(lái)可能會(huì )為雙梳光譜儀、氣體分子傳感器、精密光譜學(xué)帶來(lái)新的機遇：
（1）通過(guò)結合新穎特性的材料或設計新的結構，在提高光頻率梳的性能的同時(shí)可以進(jìn)一步推進(jìn)頻率梳器件的功能化。
（2）基于中紅外光頻率梳的DCS技術(shù)是一個(gè)主流的應用趨勢。隨著(zhù)微梳系統技術(shù)的不斷發(fā)展，最終將解決當前DCS完全集成所需解決的問(wèn)題。這種光子集成使得更高的系統性能和更緊湊的器件封裝成為可能。
（3）中紅外光頻率梳在醫學(xué)領(lǐng)域也有著(zhù)巨大的潛力，如光學(xué)相干斷層掃描（OCT）等。OCT技術(shù)利用散射介質(zhì)中的光的散射特性以超高的精度對體積中的對象進(jìn)行成像，MIR區域的光具有低瑞利散射的特點(diǎn)，可用于集成OCT中，以實(shí)現更高的成像精度。
（4）近年來(lái)，基于光頻梳的光子計算已經(jīng)成為研究者們的重要關(guān)注課題，近紅外光頻梳已經(jīng)在光計算領(lǐng)域被成功應用。進(jìn)一步向中紅外波段拓展，可以拓展光子計算的通道數量，未來(lái)或將實(shí)現基于光子計算的全芯片化數據處理平臺與超寬帶光物聯(lián)系統。
該項目獲得國家自然科學(xué)基金（61975025）；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2021YFB2800602）；之江-電子科技大學(xué)聯(lián)合項目（202012KFY00562）的支持。該研究第一作者為電子科技大學(xué)光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗室碩士研究生杜俊廷，主要從事基于光頻梳的光計算方面的研究工作。
