一文了解飞秒光纤光频梳在电磁频域精准度量技术的发展与展望

    作为21世纪具有革命性意义的激光光源之一，飞秒光纤光频梳（以下简称“飞秒光梳”）凭借其在时域与频域的独特特性，彻底革新了光学频率测量领域。其发明者Hall与Hansch因在光学频率梳及精密光谱学领域的突破性贡献，共同斩获2005年诺贝尔物理学奖。从时域的均匀飞秒脉冲序列到频域的等间隔离散相干谱线，飞秒光梳以“梳齿”对应谱线的形态得名，现已成为连接光频与射频的关键“桥梁”，在精密测量、光纤通信、航天探测等高端领域发挥着不可替代的技术支撑作用。

    一、飞秒光纤光频梳的基本原理与核心参数
    飞秒光纤光频梳的本质特征需从时域与频域双维度解析，其稳定工作依赖于对核心频率参数的精准控制。
    （一）时频域特性
    时域表现：输出脉冲宽度处于飞秒量级（1fs=10⁻¹⁵秒），且脉冲序列的时间间隔严格均匀，如同具备极高时间精度的“光信号时钟”；
    频域表现：脉冲序列经频谱展开后，形成频率间隔相等的离散相干谱线，每一条谱线即为“梳齿”，梳齿的排列规律是实现精准频率测量的核心基础。
    （二）核心频率参数
    飞秒光梳的稳定输出需围绕两个关键频率参数展开调控：
    1.脉冲重复频率（fᵣₑₚ）：指光纤激光器谐振腔内每秒输出的激光脉冲数量，其数值与激光脉冲在腔内的往返时间（Tᵣ）呈倒数关系，直接决定频域中梳齿的频率间隔，是光梳“齿距”的核心表征；
    2.载波包络偏移频率（fᶜₑₒ）：描述激光脉冲在光纤传输过程中，因群速度与相速度差异导致的脉冲包络与内部载波之间相位差的偏移变化，是确定光梳整体频率位置的关键参数。
    通过将fᵣₑₚ与fᶜₑₒ锁定至稳定参考源（如射频原子钟、光学频率标准），可实现飞秒光梳的稳定输出。此时，频域中第m根梳齿的频率可通过公式fₘ=m×fᵣₑₚ+fᶜₑₒ（其中m为梳齿序数）精确计算。该公式实现了光频与射频的有机结合，使飞秒光纤光频梳成为电磁频域内统一度量标准的“精准度量衡”。

    二、飞秒光纤光频梳的分类体系
    飞秒光纤光频梳的分类需基于“光源特性”与“稳定技术”两大维度，不同分类对应差异化的技术路径与应用场景，为实际工程选型提供明确依据。
    （一）按光纤激光器特性分类
    光纤激光器作为飞秒光梳的“种子源”，其结构、增益介质与脉冲特性直接决定光梳的输出性能，具体分类如下：
    按结构分类：可分为全光纤型与光纤空间混合型。全光纤型无需光学准直操作，具有体积小、环境适应性强的优势，适用于户外、航天等复杂工况；光纤空间混合型可整合空间光学元件的调控灵活性，便于优化输出参数，适用于实验室高精度研究场景。
    按增益介质分类：依据光纤中掺杂的增益元素差异，可分为掺铒（Er）、掺镱（Yb）、掺铥（Tm）、掺钬（Ho）光纤激光器等，不同增益介质对应特定的输出光谱波段：
    掺铒光纤激光器：覆盖1550nm通信波段，适用于光纤传感、光通信系统；
    掺镱光纤激光器：输出10301064nm波段，适用于工业精密加工、激光雷达等领域；
    掺铥/掺钬光纤激光器：聚焦2μm以上中红外波段，适用于生物成像、环境污染物监测等场景。
    按脉冲特性分类：根据脉冲在谐振腔内的传输状态，可分为传统孤子（CS）型、展宽孤子（SS）型与耗散孤子（DS）型。其中，耗散孤子可实现更宽的输出光谱与更高的脉冲能量，是超连续谱产生的主流选择。
    （二）按锁模技术分类
    锁模技术是实现激光器输出飞秒脉冲的核心手段，直接影响光梳的稳定性与结构复杂度，主要分为三类：
    1.主动锁模：通过外部射频信号调制器对腔内光强进行周期性调制，强制多纵模实现同相振荡。该技术锁定稳定性高，但需额外外部设备，体积较大，适用于对长期稳定性要求严苛的实验室精密测量场景；
    2.被动锁模：无需外部调制信号，依靠腔内可饱和吸收元件或结构实现脉冲窄化。当宽脉冲经过可饱和吸收元件时，强度较高的脉冲部分损耗小、透过率高，强度较低的部分则被过滤，最终形成飞秒级窄脉冲。该技术结构简单、稳定性强，是当前飞秒光梳种子源的主流锁模方案；
    3.主被动混合锁模：整合主动锁模的长期稳定性与被动锁模的脉冲窄化优势，适用于对稳定性与脉冲质量均有极高要求的场景（如量子精密测量、超高精度光谱分析）。
    在被动锁模技术中，可饱和吸收元件进一步分为真实可饱和吸收体（如半导体可饱和吸收镜SESAM、碳纳米管CNTs、石墨烯、拓扑绝缘体TI、过渡金属二硫化物TMD）与人造可饱和吸收体（如非线性偏振旋转NPR、非线性放大环镜NALM）。前者具有成本低、易集成的优势，后者则具备更高的抗损伤阈值与更长的使用寿命。

    三、飞秒光纤光频梳的核心技术挑战：信号探测与锁定
    实现飞秒光纤光频梳的“精准度量”功能，需解决fᵣₑₚ与fᶜₑₒ的精准探测及稳定锁定问题，此为飞秒光纤光频梳系统搭建过程中的核心技术难点。
    （一）核心信号探测技术
    fᵣₑₚ探测：fᵣₑₚ处于射频波段（通常为几MHz至几百MHz），可通过商用高带宽光电探测器直接捕捉，技术路径成熟，成本可控；
    fᶜₑₒ探测：fᶜₑₚ位于太赫兹波段，无法通过探测器直接获取，需通过以下两种技术路径间接提取：
    1.自参考技术：将光梳输出光谱扩展至倍频程以上（如覆盖10002000nm），确保光谱中同时存在频率fₐ及其二次谐波f₂ₐ；利用倍频晶体将fₐ倍频为2fₐ，对f₂ₐ与2fₐ进行外差干涉拍频（数学上表现为2fₐf₂ₐ），即可得到fᶜₑₒ；
    2.光学拍频法：引入已知频率的标准光信号fₛ，使其与光梳的两根梳齿分别产生拍频信号fᵦₑₐₜ₁与fᵦₑₐₜ₂（根据公式fᵦₑₐₜ₁=fₛ(m×fᵣₑₚ+fᶜₑₒ)、fᵦₑₐₜ₂=2fₛ(2m×fᵣₑₚ+fᶜₑₒ)）；通过公式fᶜₑₒ=fᵦₑₐₜ₂2fᵦₑₐₜ₁反推fᶜₑₒ，该技术适用于需基于光学参考的高精度场景。
    （二）稳定锁定方案对比
    不同锁定方案对应差异化的稳定度性能，下表对四种主流锁定方案的技术特性进行对比分析：

    由表可知，锁定方案的稳定度性能与参考源类型直接相关：依赖光学参考源的方案稳定度更高，且梳齿频率越靠近参考源频率，稳定度性能越优，此规律为不同场景的技术选型提供关键依据。

    四、飞秒光纤光频梳的技术挑战与发展方向
    当前飞秒光纤光频梳仍面临噪声压制、重频提升、集成化等核心技术挑战，这些挑战同时也是推动其技术迭代的关键方向。
    （一）噪声压制：实现低噪声输出
    飞秒光梳的输出噪声主要来源于种子源（光纤激光器）、脉冲放大压缩过程、超连续谱产生环节，具体表现为强度噪声与时间抖动。目前，基于NALM锁模的“9”字型腔光纤激光器已展现出优异的噪声抑制性能，且可构建全保偏结构，有效抵抗温度、振动等环境干扰。未来需进一步针对不同频段的噪声来源开展精准分析，制定针对性抑制方案，实现低噪声、高稳定的飞秒脉冲输出。
    （二）重频提升：突破腔长限制
    飞秒光梳的脉冲重复频率由光纤激光器的谐振腔长决定（腔长越短，重频越高），但传统光纤增益介质的长度限制了重频提升。近年来，制纤工艺的升级使光纤掺杂浓度与增益系数显著提高，二维材料的发展则大幅缩小了锁模元件的体积，两者共同推动谐振腔长缩短，为高重频光梳研发提供技术支撑。此外，腔外滤波技术可实现脉冲重频的整倍数提升，为高速光通信等对重频有高要求的场景提供新路径。
    （三）智能化与集成化：推动工程化应用
    未来飞秒光纤光梳将向“小型化、芯片化、智能化”方向发展：一方面，利用光波导芯片替代传统全光纤结构，实现脉冲放大压缩、超连续谱产生、fᶜₑₒ探测的一体化集成，大幅缩小系统体积，降低复杂度；另一方面，将神经网络智能算法与锁频、锁相过程结合，实现fᵣₑₚ与fᶜₑₒ的自动化、智能化锁定，简化操作流程。该发展方向将推动飞秒光梳从实验室走向工程化应用，为工业检测、航天导航等领域提供新型高精度光源方案。

    五、结语
    飞秒光纤光频梳作为连接光频与射频的“精准度量衡”，不仅在基础科研领域具有重要价值，更在高端产业应用中展现出广阔前景。从噪声压制到重频提升，从智能化升级到集成化突破，每一项技术进展都推动着飞秒光梳向更精准、更稳定、更易用的方向发展。随着核心技术的不断成熟，飞秒光纤光频梳必将在更多高端领域发挥核心支撑作用，为我国精密测量、光电子产业的高质量发展注入新动能。