基于飛秒光學頻率梳的大尺度絕對距離測量技術研究過驗收
隨著超快光學的發展，“光學頻率梳”技術在精密測量領域已嶄露頭角。近日，浙江省計量院承擔的省質監局重大科研項目《基于飛秒光學頻率梳的大尺度絕對距離測量技術研究》順利通過專家組驗收。
飛秒光學頻率梳作為微波頻率與光學頻率的橋梁，可實現從兆赫茲到太赫茲直接頻率傳遞，為下一代時間頻率基準的建立和頻率傳遞等方面的研究奠定了基礎，同時帶來測量科學的又一次進步。它可以被廣泛應用于絕對距離測量技術研究、時間頻率計量、太赫茲光譜計量、超快光學精密材料微加工等領域。
2016年，基于飛秒光學頻率梳的大尺度絕對距離測量技術研究項目正式被浙江省質量技術監督局立項，項目承擔單位為浙江省計量科學研究院，研究總經費24萬元。
經過幾年的研究，浙江省計量院的項目研究成果進一步提升了浙江省計量院在超快激光光學計量領域的技術研發能力及計量測試服務能力，可為激光加工、增材制造、激光參數計量等領域提供技術支持及測試服務。
驗收現場，專家組通過聽取項目負責人的項目實施工作匯報、審閱材料和質詢討論，一致認為該項目較好的完成合同書要求的各項考核目標，材料充足，經費使用合理，一致同意通過驗收。
由于飛秒光頻梳獨特的時域和頻域特性，它在激光頻率計量、頻率標準傳遞、絕對距離測量和光譜測量等方面有著更大的優勢和應用前景。通過浙江省計量院的研究，進一步提高了我國的精密測量水平。
【頻率梳百科】
光學頻率梳（OFC）是指在頻譜上由一系列均勻間隔且具有相干穩定相位關系的頻率分量組成的光譜。隨著光通信技術的飛速發展，OFC由于其在光學任意波形產生、多波長超短脈沖產生和密集波分復用等領域的廣泛應用吸引了越來越多學者的關注。 [1]
光學頻率梳（OFC）是指在頻譜上由一系列均勻間隔且具有相干穩定相位關系的頻率分量組成的光譜。隨著光通信技術的飛速發展，OFC由于其在光學任意波形產生、多波長超短脈沖產生和密集波分復用等領域的廣泛應用吸引了越來越多學者的關注。 [1]
飛秒光學頻率梳誕生
光學頻率梳已經成為繼超短脈沖激光問世之后激光技術領域又一重大突破。在該領域內，開展開創性工作的兩位科學家J.
Hall和T. W.
H?nsch于2005年獲得了諾貝爾獎。原理上，光學頻率梳在頻域上表現為具有相等頻率間隔的光學頻率序列，在時域上表現為具有飛秒量級時間寬度的電磁場振蕩包絡，其光學頻率序列的頻譜寬度與電磁場振蕩慢變包絡的時間寬度滿足傅里葉變換關系。超短脈沖的這種在時域和頻域上的分布特性就好似我們日常所用的梳子，形象化的稱之光學波段的頻率梳，簡稱"光梳"。光梳相當于一個光學頻率綜合發生器，是迄今為止最有效的進行絕對光學頻率測量的工具，可將銫原子微波頻標與光頻標準確而簡單的聯系起來，為發展高分辨率、高精度、高準確性的頻率標準提供了載體，也為精密光譜、天文物理、量子操控等科學研究方向提供了較為理想的研究工具，逐漸被人們運用于光學頻率精密測量、原子離子躍遷能級的測量、遠程信號時鐘同步與衛星導航等領域中。
獲得光梳的關鍵首先是實現穩定的超短脈沖輸出，其次是實現對該超短脈沖序列在時域及頻域的精密控制，即對超短脈沖的載波包絡相位和激光脈沖重復頻率的控制。早期的光梳光源都是基于傳統的鈦寶石飛秒激光器構建而成。美國天體物理聯合實驗室J.
Hall教授等人首次利用自參考f-2f技術實現了載波包絡相位穩定的鈦寶石鎖模激光器，這標志著飛秒光學頻率梳的誕生。 [2]
飛秒光學頻率梳的優點
光纖激光器具有優異的穩定性、結構緊湊、價格合理，且易于維護，解決了超短脈沖在用戶層面的窘境。光纖激光器作為第三代激光技術的代表，在科學研究及工業加工等應用領域具有諸多明顯優勢：光纖波導制造成本低；光纖的柔性及可纏繞性有利于實現激光器的小型化和模塊化；光纖無需激光晶體那樣嚴格的模式匹配或相位匹配；光纖激光器內部僅有較少或者幾乎沒有光學鏡片，穩定性極佳；光纖激光器全封閉的光路結構能勝任惡劣的工作環境，對沖擊震蕩、濕度溫度、灰塵顆粒具有較高的容忍度；此外，光纖激光器具有較高的電光效率，電光效率可達20%以上，顯著節約了激光器的運行成本。
光纖的另一主要優勢就是，通過選用各種摻雜的有源光纖和不同色散量及模場直徑傳輸光纖，光纖光源可以實現相比鈦寶石光源更寬光譜范圍的激光輸出，如1030nm波段的摻鐿光纖激光非線性展寬后可覆蓋600-1400nm，1560nm波段的摻鉺光纖激光非線性展寬后可覆蓋1000-2200nm，2.0μm波段的摻銩光纖激光非線性展寬后可覆蓋1350-2700nm。
超短脈沖光纖激光器及光纖光梳的產品化是光纖激光技術發展的源動力。國外早在1990年就開始了超短脈沖光纖激光器產品化的探索工作，并涌現出如IMRA、Calmar、Fiannium、Menlosystems、Toptica等著名公司。近年，在我國政府的引導下，科研領域的成果加速了成果轉化，一些高科技含量的超短脈沖光纖激光技術公司及產品陸續涌現，如上海朗研光電科技有限公司780nm、1064nm、1550nm等系列波長的超短脈沖激光器。
[2]
生活實際應用
2015年，美國加利福尼亞州立大學的一個研究團隊創建了一種“頻率梳”裝置，能夠預測并解決光纖傳播信息過程中的信號失真問題，進而不需依賴信號增強裝置，即可直接傳輸比通常情況強20倍的信號。
研發背景
人類在線發布的數據正在呈指數級增長，業界專家一直擔心“光纖容量終將消耗殆盡”。雖然在全球某些地區網速連接還是很慢，但最終“骨干互聯網”仍有可能達到某個傳輸速度的極限。
應用價值
加利福尼亞州立大學的工程師們消除了上述疑慮，利用“頻率梳”裝置，他們通過光纖電纜傳播破譯信息的距離超過1.2萬公里，且無需生成新信號。這意味著其信號強度比傳統光纜處理信號的能力要強上20倍。
解決問題
長距離傳送信息需要借助一種被稱作“中繼站”的裝置，將數據轉換成電信號。這雖然降低了系統的運行速度，限制了傳輸信息的體量，但是很有必要，因為光信號無法自行處理大量難以辨認的信息。研究團隊首席研究員尼古拉·埃里克比喻說：“現在的光纖系統有點像流沙，你越掙扎，下沉得越快。光纖處理信號的能力到達某一極限后，越往里添加信息，結果失真就越嚴重。”
為了避免信號失真，研究團隊首先針對不同光纖電纜通道之間的相互作用進行細致研究?！肮饫w電纜內部產生的失真遵循一定的物理學定律，并不是隨機產生的?！卑＠锟苏f，這意味著他們能夠學會預測這種失真。
埃里克將他們創建的“頻率梳”裝置比作在演出前指揮對管弦樂隊進行調音：使用“頻率梳”同步信號的起點，研究團隊可以確保能夠在不失真情況下，破譯從1.2萬公里外傳輸過來的信號。
研究人員工作重點是將這些“頻率梳”應用到已有的光纖電纜中，一經應用，不僅能大大提高光纖電纜的傳輸效率，還能消除對互聯網的速度限制，最重要的是它能大規模降低相關成本 [3] 。
