关于光频梳和太赫兹频率梳的学习总结「建议收藏」

飞秒激光频率梳原理及应用

飞秒激光

光频梳可以通过光调制产生也可以通过飞秒脉冲产生，我主要讲讲通过飞秒激光产生的光频梳。

要了解飞秒激光频率梳，首先要知道什么是飞秒激光。其时域宽度飞秒量级的脉冲激光的脉冲宽度┏是从几飞秒至几百飞秒（1飞秒=10^-15 秒）如图一。

图一

图二为单单个激光脉冲，就单个激光脉冲而言可以看成是一个激光载波和包络函数相乘的结果；
图二
当激光器不断发出这样的激光，就构成了一个飞秒激光序列，如图三。
图三

什么是飞秒光梳

1. 两个重要参数重复频率fr和偏差频率fceo的意义
   从时域看，依然是飞秒激光脉冲序列。第一个参数: fr=1/T，即重复周期的倒数为重复频率，通俗来讲重复周期就是脉冲间隔，即光在谐振腔中来回一趟的时间，反应飞秒脉冲序列在时域上是否等间隔；第二个参数：Tceo表示脉冲包络与里面载波相位差的演变周期，其倒数为偏差频率fceo。

2. 脉冲序列和频率梳在时域与频域的关系
   时域上的脉冲序列可以看成是单个飞秒脉冲和一个梳状函数所得；频谱为单个脉冲的频谱和梳状函数频谱相乘所得

3. fr和fceo在频域中的意义
   脉冲时域上的fr对应频域中的谱线频率间隔；时域中的脉冲包络和载波相位差演变周期Tceo，其倒数对应了频域中的初始偏移频率fceo。

4. 光频梳公式

f(n)=n x fr+fceo 表示频谱上第n根谱线的绝对频率

如果fr发生变化，频梳整体会放缩；如果fceo发生变化，频梳整体会发生偏移。

5. 普通飞秒激光和飞秒光梳的区别
   普通飞秒激光的fr和fceo并不锁定，当这两个参数都锁定，就得到飞秒光梳。

飞秒光梳——结构与原理

飞秒光梳主要由三部分组成：振荡器、放大器、干涉仪。振荡器是基于非线性偏振旋转效应所做成的锁模激光振荡器，在该系统中主要讲一下为什么要锁定fr和fceo：

1. 锁定重复频率的策略是让探测器接受光脉冲，得到实际的fr，然后再和频率基准去作拍（这里的频率基准我认为是铷频标），根据拍频信号反馈控制振荡器压电陶瓷PZT，实现腔长的反馈控制，从而锁定fr。过程如上图的蓝色线框部分。
2. 要锁定偏差频率fceo，先从光频提取出来，先用光放大器将振荡器输出的激光功率放大，后经过高非线性光纤HNLF进行阔谱，阔谱的要求是将光谱扩展到 长波段波长达到短波段波长两倍以上 ，扩展后的光谱这也被称为超连续谱，超连续谱通过f-2f干涉仪，长波段经PPLN晶体倍频，得到的倍频信号与原始光谱中的短波信号产生拍频，就可提取偏频信号，最后于频率基准锁定，通过反馈控制振荡器泵浦电流实现。其中通过拍频信号提取偏频信号的过程如下：
   
   1020nm到2040nm是频谱分析仪可以测量的范围，2040nm为倍频后的波长，其光梳为2f(n)；而在原始波长中存在一点2n，该点波长为1020nm，其光梳为f(2n)。拍频计算过程如下：

即可得偏差信号。

太赫兹频率梳原理及应用

光频梳到太赫兹频率梳的扩展

由于光频梳对应的齿梳位于高频（325-425THZ），而太赫兹位于相对低频（0.1-30THZ)，故光学频率梳不直接应用于太赫兹测量。光学频率梳可以通过一定的方法在低频域中产生可比较的梳状结构， 即所谓的太赫兹频率梳。这中方法的本质是一中光整流过程，有多种不同的方 式可以实现，例如激发光电导天线的产生太赫兹辐射或者激发非线性光电晶体 产生太赫兹辐射。我们知道光频率梳是通过将飞秒锁模激光器(fs-ML)的脉冲序列进行FFT得到，而通过将fs-ML的脉冲序列与光电导过程相结合，便可将光学频率梳的概念扩展到太赫兹区域。过程如下：

太赫兹频率梳的产生

如图 2.5 所示光纤飞秒激光器产生稳定的飞秒脉冲激光入射至 PCA 中，光电导天线带隙受到飞秒激光脉冲的激发产生 THz 频率梳；同时，待测 THz 源信号与THz 频率梳的某一梳齿在 PCA 中产生拍频信号 fb，在此过程中飞秒脉冲激光的重复频率 fr 和拍频信号 fb 是测量待测 THz 信号频率的关键。

上文我们已经讲了只有将 f r和 fo 同时锁定才可称为飞秒光学频率梳。如图 2.6 所示，光电导天线在飞秒激光的激发下产生宽带 THz 辐射，载波包络相移 fo 在各 频率分量的差频过程中被相互抵消掉，因此 THz 频率梳可以表示为:

在锁相环稳定工作时，THz 频率梳的获取相对于获得光学频率梳要简单一些， 只需要将重复频率 fr 锁定，而不需要控制 fo。
光学频率梳与太赫兹频率梳对比一下，如下图，图2.6的太赫兹频率梳是加入了被测太赫兹源的。

太赫兹梳的应用

1.重复频率锁定部分
将激光器内置的重复频率输出端口输入混频器与参考信号进行鉴相，产生误差信号，再将误差信号通过低通滤波器后 输入伺服控制器，伺服控制器的输出信号输入高压驱动器，驱动激光器腔内的压 电位移器伸缩来改变激光器腔长，从而实现 fr 锁定。
2. 频率梳产生部分
飞秒激光器发出的光通过分光镜将光束分为两条，一条与光电导天线PCA结合产生太赫兹频率梳；另一条通过探测器进入到频率计数器，目的是为了检测重复频率fr是否锁定。
3. 被测太赫兹源
由于频率综合器很难产生太赫兹级频率，因此采用倍频模块，将频率倍频至太赫兹段。

被测太赫兹源模块产生的太赫兹源与太赫兹频率梳产生拍频信号，由于拍频信号十分微弱，因此要进行电流放大，放大后送至频谱分析仪。铷频标的作用是将频率稳定，对频率进行标定。

什么是拍频信号

当光电导天线内产生频率梳后，被测 THz 源信号在频率梳中只与其最近的梳齿产生拍频信号，分两种情况：

1. 第一种情况

时，被测THZ频率信号可表示为

2. 第二中情况
   时,被测THZ频率信号为
   最后可得拍频信号为

[1]: Yokoyama S, Nakamura R, Nose M, et al. Terahertz spectrum analyzer based on a terahertz frequency comb[J]. Optics Express,2008,16(17):13052-13061.
[2]: 孙青, 杨奕, 孟飞,等. 基于频率梳的太赫兹频率精密测量方法研究[J]. 光学学报, 2016, 36(4).
[3]: 孟莹, 基于频率梳的太赫兹空间辐射强度测量及成像技术研究[D].中国计量大学,2019.000044.
同时还参考了B站中的一个视频：链接: link

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