葉菲　方宇　孫欽青

【摘 要】光頻梳作為簡(jiǎn)單有效的測(cè)量裝置而備受青睞，其利用鎖模脈沖激光器產(chǎn)生超短光脈沖。在頻率域上，這些頻率譜就像梳子，梳齒間隔相等。光頻梳就是一把擁有精密刻度的尺子或定時(shí)器，可以通過(guò)將光頻梳中的飛秒激光與被測(cè)光進(jìn)行拍頻來(lái)測(cè)量光頻。光頻梳技術(shù)對(duì)測(cè)量和非線(xiàn)性光物理等不同的領(lǐng)域產(chǎn)生顯著地影響，本文首先對(duì)光頻梳的產(chǎn)生進(jìn)行分析，然后從專(zhuān)利申請(qǐng)、區(qū)域分布、技術(shù)分支角度分析光頻梳的專(zhuān)利總體情況;并對(duì)國(guó)內(nèi)光頻梳的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理。

【關(guān)鍵詞】光頻梳;專(zhuān)利;激光

中圖分類(lèi)號(hào)： O437 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0139-003

0 前言

光頻梳的出現(xiàn)是超快光學(xué)與精密光譜學(xué)完美結(jié)合的產(chǎn)物，早在上世紀(jì)70年代，德國(guó)科學(xué)家T. W. H？覿nsch等人就提出了光頻梳的概念，他們應(yīng)用鎖模染料激光器進(jìn)行光譜學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)該脈沖激光器能夠共振激發(fā)出鈉離子4d能級(jí)躍遷的精密譜線(xiàn)，進(jìn)而驗(yàn)證鎖模激光器的縱模是由一系列窄帶頻率梳齒所構(gòu)成。在此后的三十年里，基于超短脈沖的激光物理技術(shù)與基于窄線(xiàn)寬激光器的激光光譜學(xué)技術(shù)向著似乎不相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)學(xué)科方向發(fā)展。

光頻梳是一種由眾多分立、頻率間隔嚴(yán)格相等的頻譜所組成的寬帶光譜光源，它類(lèi)似于一把劑量頻率的尺子，因此也被成為光學(xué)頻率尺[1]?；驹硎牵好}沖激光器的輸出在時(shí)域上為一系列等間隔的超短脈沖，脈沖寬度一般為幾到幾十飛秒，重復(fù)頻率為MHz到GHz，由一系列等間隔光譜線(xiàn)組成的光梳，每個(gè)梳齒之間的間隔等于飛秒激光器的重復(fù)頻率。鎖模激光器的輸出脈沖可以看作是能量高度集中的波包，而且激光器鎖定的縱模越多，脈沖寬度越窄。由于激光腔內(nèi)存在色散，導(dǎo)致載波在腔內(nèi)往返一次后不能重現(xiàn)它與包絡(luò)間原有的相對(duì)位相關(guān)系， 因此相鄰兩個(gè)脈沖的載波與包絡(luò)之間呈現(xiàn)相對(duì)位相差ΔΦ。這個(gè)相移在頻域上就對(duì)應(yīng)于理想頻梳的頻率漂移δ=ΔΦfr/2π，根據(jù)頻率梳的原理[2]，每個(gè)梳齒對(duì)應(yīng)的頻率可以表示為：fn=nfr+δ。

1 專(zhuān)利統(tǒng)計(jì)分析

1.1 全球和中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量趨勢(shì)

1990年之前，光頻梳領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量還比較少，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的霍爾教授J. L. Hall和德國(guó)馬普量子光學(xué)所（MPQ）的亨施教授T. W. H？覿nsch于2005年被授予了的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)拢饾u開(kāi)啟了對(duì)光頻梳的研究，全球?qū)＠暾?qǐng)量大幅增長(zhǎng)，并呈現(xiàn)迅猛的遞增趨勢(shì)，上世紀(jì)90年代末，基于飛秒摻鈦藍(lán)寶石的激光頻率梳的提出和實(shí)現(xiàn)使光頻梳發(fā)生了革命性進(jìn)展。

1.2 全球主要申請(qǐng)人及申請(qǐng)人分布區(qū)域

國(guó)內(nèi)光頻梳的研究略晚于國(guó)際水平，約從2008年起申請(qǐng)量呈穩(wěn)健遞增模式，分析原因，因早起飛秒激光領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)發(fā)展并不是很成熟，近幾年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的高校、研究所及相關(guān)企業(yè)的申請(qǐng)量日漸增多，在產(chǎn)生方法和應(yīng)用領(lǐng)域上也逐漸多樣化，到目前為止，我國(guó)有關(guān)光頻梳領(lǐng)域的申請(qǐng)量已經(jīng)居于世界前位，約占37%，其次是美國(guó)的18%和日本的16%。專(zhuān)利技術(shù)的申請(qǐng)量一定程度上可以反映一個(gè)國(guó)家在該技術(shù)上的先進(jìn)程度。專(zhuān)利技術(shù)的區(qū)域性導(dǎo)致了其在不同的國(guó)家出現(xiàn)不同的申請(qǐng)。在光頻梳的發(fā)展過(guò)程中除了對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)生方法及應(yīng)用領(lǐng)域的研究以外，還有逐漸發(fā)展起來(lái)的，如激光測(cè)距、光鐘等領(lǐng)域。

光頻梳的專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)谑澜绺鱾€(gè)國(guó)家和地區(qū)的分布中，美國(guó)和日本占據(jù)了較大的比例，這些國(guó)家的申請(qǐng)人多為企業(yè)，體現(xiàn)了光頻梳已經(jīng)發(fā)展成為為產(chǎn)品或相應(yīng)的部件用于實(shí)際生產(chǎn)中。而中國(guó)的申請(qǐng)人絕大多數(shù)為高校和科研院所，也說(shuō)明光頻梳在國(guó)內(nèi)的研究還處于剛剛起步的狀態(tài)，在科研方面取得了豐碩的成果，而隨著國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量的不斷增加，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研的有效結(jié)合。

2 技術(shù)分支與發(fā)展脈絡(luò)

光頻梳的產(chǎn)生方式主要有：鎖模激光器、單個(gè)/級(jí)聯(lián)電光調(diào)制器、非線(xiàn)性介質(zhì)、循環(huán)移頻器。

2.1 鎖模激光器

上世紀(jì)70年代，德國(guó)科學(xué)家T.W. H？覿nsch等人通過(guò)超短脈沖激光與精密光譜學(xué)兩個(gè)不同研究領(lǐng)域的交叉，率先利用克爾透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的鎖模飛秒脈沖激光的重復(fù)頻率作為光頻梳的梳齒間隔，證明了相對(duì)誤差小于6×10-16的精度。鎖模激光器在時(shí)域上的輸出為周期性脈沖序列，針對(duì)周期性脈沖作傅里葉變換得到的在頻域上頻率間隔相等的光頻梳。但激光器內(nèi)部存在的色散會(huì)使包絡(luò)的相位積累和載波相位積累存在固定的差值，因此需要進(jìn)行校準(zhǔn)。鎖模激光器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的載波數(shù)目較多，但是存在載波數(shù)目不易控制、平坦度差、載波間隔不確定的缺點(diǎn)。

2007年由KOREA RES INST STANDARDS & SCI提出利用飛秒激光在光注入鎖定，將飛秒激光光頻梳注入到二極管激光器，從而獲得單模激光，在光頻梳中僅鎖相到單模，并且改變光頻率之間的間隔，與半導(dǎo)體激光器的頻率一起，同時(shí)實(shí)現(xiàn)以單一的所需光頻率（JP5360828B2）;2010年由IMRA AMERICA INC 提出，通過(guò)控制鎖模激光諧振腔內(nèi)的腔內(nèi)損耗，具體的，集合聲光調(diào)制器能夠使CEO頻率控制在MHz調(diào)制率，可能比通過(guò)光學(xué)泵浦調(diào)制快許多數(shù)量級(jí)（US2010225897A）;2012年由廣東漢唐量子光電科技有限公司提出的采用諧波鎖模的方式產(chǎn)生高重復(fù)頻率脈沖，從而擺脫了激光器腔長(zhǎng)的束縛，在很大程度上放寬了高重復(fù)頻率脈沖的產(chǎn)生條件，另外，諧波鎖模激光器沒(méi)有腔長(zhǎng)度的限制，便于放置色散和偏振控制元件，從而利于實(shí)現(xiàn)對(duì)激光脈沖特性的調(diào)節(jié)，以保證激光器輸出的穩(wěn)定性（CN103001114A）;2013年由DELFYETT P J 提出了注入鎖模光頻梳的實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)偏振光譜的有源激光腔，消除光學(xué)PM邊帶中固有的穩(wěn)定化方法（US20150086151A1）;2014年由IMRA INC提出基于被動(dòng)鎖模激光器和光纖激光器的緊湊的光頻梳系統(tǒng)，為了通過(guò)鎖模光纖激光器產(chǎn)生短脈沖，可以在諧振腔內(nèi)部結(jié)合色散補(bǔ)償元件例如啁啾光纖布拉格光柵或者具有不同色散參數(shù)的多個(gè)長(zhǎng)度的光纖（DE112012002271T）;2014年由北京大學(xué)提出通過(guò)將摻餌鎖模光纖激光器產(chǎn)生光梳的重復(fù)頻率和光梳的一個(gè)模式同時(shí)鎖定在同一原子系統(tǒng)三能級(jí)結(jié)構(gòu)上而獲得具有穩(wěn)定模式的光梳，從而使得頻率源獲取裝置結(jié)構(gòu)緊湊、占的物理空間小，進(jìn)而滿(mǎn)足諸如光纖通信等應(yīng)用對(duì)頻率源裝置便攜性的要求（CN103825168A）。

2.2 單個(gè)/級(jí)聯(lián)電光調(diào)制器

常見(jiàn)的級(jí)聯(lián)的電光調(diào)制器主要是通過(guò)控制射頻源幅度、偏置電壓、頻率等參數(shù)來(lái)改變輸出光頻梳性能，該方法具有子波間隔穩(wěn)定、產(chǎn)生方式較為簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是若想獲得較大的載波數(shù)目需要的射頻驅(qū)動(dòng)電壓較高，載波的平坦度也不夠理想。

2006年由獨(dú)立行政法人情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)提出了采用單一的調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生具有平坦譜線(xiàn)特性的光頻梳的光頻梳發(fā)生裝置，可以產(chǎn)生光學(xué)頻率間距相同并且具有平坦的譜線(xiàn)特性的光頻梳信號(hào)（JP2007248660A）;2006年由株式會(huì)社光コム研究所提出了為了獲得穩(wěn)定的光頻梳，光頻梳發(fā)生器的光學(xué)調(diào)制器包括通過(guò)激光光束的電光晶體π弧度的光學(xué)調(diào)制的調(diào)制指數(shù)每次循環(huán)被執(zhí)行到所述激光束，以產(chǎn)生光頻梳（JP2006337832A）;2011年由COVEGA CORP 提出采用一種雙并行調(diào)制器，其輸入光頻率信號(hào)在一個(gè)中心頻率梳齒，一個(gè)RF信號(hào)在一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)于一期望梳齒間距的光頻梳（US20110007383A1）;2014年由上海交通大學(xué)提出了一種基于射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)光電相位調(diào)制器和光電強(qiáng)度調(diào)制器的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產(chǎn)生裝置及產(chǎn)生方法，通過(guò)產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光頻梳相位相干，梳齒頻率間隔可在寬帶范圍內(nèi)保持相位連續(xù)地掃頻，產(chǎn)生的光頻梳相位、頻率穩(wěn)定（CN103941515A）;2016年由上海交通大學(xué)提出的通過(guò)將本地光經(jīng)電光調(diào)制和聲光調(diào)制得到光脈沖，將其作為探測(cè)脈沖光信號(hào)輸入測(cè)試光纖，將得到的瑞利背向散射光信號(hào)與本地光耦合拍頻后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)光頻率發(fā)射（CN105490738A）。

2.3 非線(xiàn)性介質(zhì)

利用高非線(xiàn)性介質(zhì)中的非線(xiàn)性效應(yīng)如自相位調(diào)制、級(jí)聯(lián)四波混頻來(lái)得到大帶寬的光頻梳，這種方式產(chǎn)生的光頻梳數(shù)目較多，但是存在載波平坦度不好、載波數(shù)目不可控等缺點(diǎn)。

2006年由DOKURISTSU GYOSEI HOJIN SANGYO GIJUTSU SO提出一種光頻梳發(fā)生器能夠獲得一種光學(xué)梳齒具有優(yōu)選的S/N，脈沖激光束輸入高非線(xiàn)性光纖后由高非線(xiàn)性光纖中的高非線(xiàn)性效應(yīng)進(jìn)行展寬后得到寬帶光頻梳，并具有優(yōu)選的S/N（WO2007119449A1）;2008年由MAX PLANCK GES FOERDERUNG WISSENSCHAFTEN提出一光頻梳發(fā)生器包括一激光裝置用于產(chǎn)生輸入激光，一電介質(zhì)的微諧振器具有一個(gè)空腔，其具有三階非線(xiàn)性，使得所述諧振器能夠提供參數(shù)變化的光（US20080285606A1）; 2011年武漢郵電科學(xué)研究院提出了通過(guò)連續(xù)光激光器輸出的光束，經(jīng)過(guò)至少兩個(gè)調(diào)制器調(diào)制后，得到有頻率搬移的梳狀波，再用放大器進(jìn)行光功率放大后，輸入至高非線(xiàn)性光纖產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，最后經(jīng)波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)調(diào)整光束（CN102338965A）;2013年由日本電信電話(huà)株式會(huì)社提出產(chǎn)生寬度光頻梳具有高信噪比，該光頻梳發(fā)生器包括使擴(kuò)展帶寬的調(diào)制頻率軸上的信號(hào)通過(guò)一種非線(xiàn)性介質(zhì)（JP201575614A）;2014年由上海朗研光電科技有限公司提出差頻過(guò)程所需的兩個(gè)信號(hào)光產(chǎn)生自同一個(gè)非線(xiàn)性混頻過(guò)程，可自動(dòng)消除差頻過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)光的相位噪聲（CN103825176A）;2015年由中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所提出利用方環(huán)形等特殊形狀的電注入窗口，通過(guò)調(diào)節(jié)注入電流實(shí)現(xiàn)間距可調(diào)的雙橫模正方形激光器，其產(chǎn)生的光信號(hào)放大后經(jīng)過(guò)高非線(xiàn)性光纖內(nèi)級(jí)聯(lián)四波混頻效應(yīng)展寬可獲得可調(diào)諧光頻梳（CN104765217A）。

2.4 循環(huán)移頻器

其基本原理是利用循環(huán)頻移來(lái)增大產(chǎn)生的載波數(shù)目。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光頻梳數(shù)目較多、平坦度較好，但是存在載波相位關(guān)系不明顯、載波噪聲較大等缺點(diǎn)。

2011年由武漢郵電科學(xué)研究院提出光源為多個(gè)波長(zhǎng)不同的激光器、光頻梳、循環(huán)移頻器RFS或者采用F-P腔濾波器的多路光載波產(chǎn)生裝置中的一種，用于輸出多個(gè)頻率穩(wěn)定的光載波（CN102437990A）;2013年由中國(guó)科學(xué)院物理研究所提出通過(guò)優(yōu)化光纖振蕩器的腔內(nèi)凈色散、振蕩器中引入內(nèi)腔調(diào)制器和采用前反饋的聲光移頻器等技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)低噪聲的光纖激光頻率梳裝置，同時(shí)聲光移頻器的使用，可以精確調(diào)控光頻梳的載波包絡(luò)相移頻率（CN103633537A）。

3 總結(jié)

正是由于光頻梳的發(fā)明，才使得人們能夠用微波頻標(biāo)直接測(cè)量光學(xué)頻標(biāo)，進(jìn)而為發(fā)展更高精度的下一代光鐘、實(shí)現(xiàn)標(biāo)定微波頻標(biāo)提供了可能，這在頻率測(cè)量史上具有很大的意義，同時(shí)也促進(jìn)了精密光譜學(xué)、阿秒激光物理等學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，光頻梳技術(shù)在未來(lái)仍然具有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿ΓS著國(guó)內(nèi)高校、研究所及相關(guān)公司的進(jìn)一步探究，光頻梳將會(huì)在科技前沿開(kāi)辟更廣闊的領(lǐng)域，未來(lái)也會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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