飞秒光学频率梳

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1、飞秒光学频率梳毕延帅（中国海洋大学信息科学与工程学院电子系电子信息科学与技术2008级） 摘要光学频率梳是2005年诺贝尔物理学奖的重要内容，量子光学和激光光学的发展为 精密测量提供了完备的理论基础和实验基础。本文结合现代量子光学及激光的发展历史，引 入物理量的精密测量，浅谈了光学频率梳及其应用。关键词2005年诺贝尔物理学奖，飞秒光学频率梳，激光精密光谱学，原子钟，光钟2005年10月4日瑞典皇家科学院宣布，美国哈佛大学的Roy J Glauber、美国国家标准和技 术研究所（NIST）的John L Hall和德国马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的Theodor W Hansch共同获

2、得2005年度的诺贝尔物理学奖。授予格劳伯是为了表彰他在40多年前在建 立的光相干量子理论方面所做的奠基性工作，授予霍尔和汉斯是为了表彰他们多年来在精密 激光光谱学，包括近年来的光频梳（Optical Frequency Comb）技术方面做出的杰出贡献。1 现代量子光学与激光现代量子光学是基于量子理论研究光的相干性和统计性，以及光与物质相互作用的量子 性质的光学的一个重要分支。1963年Roy J Glauber在Phys.Rev.Lett和Phys.Rev.上发表了 三篇文章，将量子理论引入光学，Glauber给出了光学相干的量子表达形式，并给出了光的 相干性的普遍、严格的定义，以及光的相

3、干性的物理测量途径方法，光的量子理论被建立起 来了。光学的发展历史是漫长的，经历了光线光学（几何光学）、波动光学、电磁光学，这些 理论各自都有着各自的理论框架及其应用范围。特别是电磁光学是以Maxwell电磁场理论 为基础成功解释了光的成像、反射、折射、干涉、衍射、散射等。20世纪初由于黑体辐射 的紫外灾难导致了 Plank无意中创造了能量子的概念，接着Einstein提出光电子假设，成功 解释了光电效应现象，量子论进入光学世界。相比发展更为迅速的量子力学、量子电动力学、 量子场论等理论，此时的光学还基本处于经典物理学的范畴。两个重要的物理实验促进了现代量子光学的诞生:一个是1956年Hanb

4、ury Brown和 Twiss的强度-强度相干实验，另一个是1954年C Towns的氨分子的微波激射器MASER和 1960年T Maiman的红宝石激光器。激光器的出现极大改变了光学的面貌，光学又焕发出 勃勃生机，激光器的发展及其迅速氟化钙激光器（）氦氖激光器（）钕玻璃激光器（）光纤 激光器（）砷化镓二极管激光器（）及其他气体激光器。与此同时激光技术得到迅速发展， 如激光调Q技术、稳频技术、锁模技术、光学倍频技术、拉曼激光作用等。激光作为一种新 型光源，具有咼单色性、咼方向性、咼亮度，即咼的简并度。激光器是基于受激辐射放大这种量子理论的，与传统的热光源具有极大的不同，物理学 家对其尝试探

5、索，借助量子电动力学量子场论改造发展成现代量子光学，给激光原理奠定了 扎实的理论基础。激光器的迅速发展及激光脉冲宽度从纳秒、皮秒、飞秒发展到如今的亚飞秒、阿秒。给 物理学的精密测量提供了极大的帮助，使人们能够进入更加微观的世界探索挖掘。2 光学频率梳与原子钟霍尔和汉斯在精密激光光谱学研究方面卓有建树，特别是在发展光频率梳技术方面有重 要贡献使得频率测量的精度大大提高。频率的精密测量度是以及其稳定不受外界干扰的原子内部能级量子跃迁作为频率基准， 即量子频标。1955年英国的louis Essen研制成功了世界上第一台铯原子钟原装频率约为 9.2GHz,精度达至到300年差1秒。经过各国科学家的不

6、断努力，量子频标的准确度稳定度复 现性都得到极大的提高。目前最好的原子钟是华人物理学家叶军研究小组研制的，他们做成 一台世界上最准确 每7000万年仅误差1秒 的锶原子光钟(optical atomic clock)，精 度超过了目前存放于美国国家标准和技术局的铯原子钟，并有望取代铯原子钟成为世界新的 计时标准。飞秒锁模激光器发展于20世纪80年代，采用宽增益带宽的激光介质的激光器自由运转 时，允许多纵模存在，这些激光模式等间距排列，而相位一般是无规则的。当采用锁模技术(主动锁模、被动锁模、克尔透镜锁模等)锁定这些模式时，激光器输出的就是这些时间上 等距的短脉冲串列，每个脉冲的宽度可达到飞秒量

7、级。Fourier飞秒锁模激光器的频谱当锁模激光器被稳定锁相后,，整个光频率梳在频域内将被锁定，形成了一把可以测量 光频率的尺子，每个梳齿即是这个这把光尺的刻度。光频率梳吧光频测量转换成一系列的射 频测量，是实现光钟和光频精密测量的一次革命。3 光频梳及其应用光频率梳技术的实现和发展为物理基础研究提供了重要帮助，对科学发展意义重大。 光频率梳可以应用到精确度更高的时间测量，将使全球定位系统更为准确可靠。Siegel 说：“这在远距离的摇控导航中尤其重要。计时越准确，目标的定位就越精确。”比如，锶 原子钟可用于做更好的全球卫星定位系统(GPS)，对30多年前发射的航行者1号进行导航。光频的精密测

8、量是物理学精密测量的新巅峰,精确计时还可用于对宇宙常数进行重新测 量。2006年，在评价叶军的超精确测量实验工作时曾指出，这将有助于科学家 们检验自然界中的精细结构常数从宇宙形成初期到现在130多亿年的时间是否在变。因为精 细结构常在很多物理领域得到应用，所以对它的测量是检验已有物理理论是否一致的一种方 法。光学频率梳为精密测量提供了精密的测量技术，但想要做到大自然最为准确的测量，探 索海森堡不确定原理限制的物质世界，不被外界干扰，达到自然的极限，还有很多路要走, 不多对于自然科学的发展而言，未知便为财富，未知便为疆土。参考文献【1 】H.W.hansch Passion for Precision,nobel lecture, december 8(2005)【2】李师群“2005年诺贝尔物理学奖-光学再次被关注聚焦”【3】马龙生“光钟”【4】李师群“现代量子光学的发端和物理学精密测量的新巅峰-2005年诺贝尔物理学奖成 果介绍”【5】魏志义“2005年诺贝尔物理学奖与光学频率梳”【6】刘颂豪“光电子技术与产业”【7】网络文章“叶军-做出世界上最准的钟”