基于飞秒脉冲时-频域精密控制技术发展起来的光学频率梳，为高分辨空间遥感、野外绝对测距测量、卫星定位导航等应用提供了崭新的具有高精度和高稳定度的激光光源。为了满足这些应用的需求，光频梳需要进一步提高纵模间隔和平均功率。光纤飞秒激光器因其结构紧凑、成本低廉，近年来成为拓展光梳应用的研究热点。
然而，在现有的技术框架下将光梳应用于远距离探测和空间频率传递存在一些亟需解决的科学和技术问题：飞秒脉冲放大受制于增益窄化效应导致脉冲宽度难以压缩；传统双包层光纤输出光束质量在高功率下难以保持在衍射极限；高功率光频梳频域特性受限于附加相位噪声难以精密控制。
发展基于非线性放大机制的飞秒脉冲放大技术，有机融合光场时-频域精密控制技术，是实现宽光谱光纤光频梳功率提升的有效途径。
飞秒光学频率梳原理示意图
在频域上，飞秒光梳相当于高精度的光学频率尺，具有离散的、间隔固定的、单一频率的激光纵模，同时能够覆盖极宽的频谱范围，形成数以百万计的频率“梳齿”，且任意纵模的谱线又具有稳频连续激光器的频率精度。在时域上，对载波包络相位的精密控制，使光频梳具有飞秒量级的时间宽度和极高的瞬时电场强度。光频梳技术将这些“梳齿”锁定在确定的频率上，极大地简化了精密测量工作，掀起了频率测量领域的革命。
光学频率梳的概念早在超短脉冲出现之前就已经被提及[1]，受制于主动锁模激光器的频域特性，精密的频域控制技术无法开展。直到上世纪90年代，钛宝石飞秒激光器的研制成功极大地推进了超短脉冲精密控制技术的发展[2, 3]，1999年第一台光学频率梳问世，立即用于原子跃迁谱线的测量实验。2000年，基于克尔透镜锁模技术的钛宝石激光器，J. L. Hall等人利用超连续谱产生技术与自参考探测技术实现了对飞秒脉冲载波包络相位的精密控制，产生了世界上第一台自参考光学频率梳。光学频率梳的出现是激光技术和精密计量科学的一个革命性突破。J. L. Hall和T. W. Hänsch因在光学频率梳和精密计量领域的突出贡献，被授予2005年诺贝尔物理学奖。
21世纪以来，随着光纤技术的快速发展，科学家实现了基于光纤飞秒激光器的光频梳，有机融合了光纤激光器体积小、易维护、抗干扰能力强的优点。随后，光学频率梳进入了快速发展的轨道，其光谱、功率以及应用领域被不断拓广。
2007年到2010年间，美国标准实验室的叶军小组与IMRA公司合作，结合光纤光梳技术与啁啾脉冲放大技术，将光梳平均输出功率提高到80 W，并获得120 fs的脉冲输出，并以此为基础利用外腔增强技术获得了最短波长38 nm的极紫外光梳，将光学频率梳的波段拓展深紫外领域，推动光频梳在紫外领域科学研究。2013年，德国马克普朗克研究所I. Pupeza等人，利用非线性脉冲压缩技术，获得了输出功率43 W，脉冲宽度51 fs的掺镱光纤光梳；并以此为驱动源，使用外腔增强技术获得最短输出波长11.45 nm的极紫外光梳
光频梳发展回顾
随着时-频域精密控制技术和超快激光技术的不断发展，光梳逐渐在更广阔的领域发挥着重要作用，特别是在高分辨空间遥感、野外绝对测距测量、卫星定位导航等应用领域，光梳的精确频率特性和飞秒尺度的时域分辨能力为精密测量提供了更为强大的手段。光梳作为激光光源用于远距离探测和空间频率传递，首先需要满足一定的梳齿间距以增加频率分辨能力；其次需要提升光梳的单根梳齿能量以满足远距离传输的需求；最后需要极高的峰值功率来满足光梳在紫外和中远红外进行特征光谱精密测量的需求。
我们通过对高功率光纤飞秒激光的时-频域光场时间波形和频率稳定性的同时精密操控，研制成时-频域可精密控制的目前国际上输出脉宽最短的百瓦量级飞秒光频梳系统。该系统是牵引精密测量等前沿科学研究以及推动精密制造装备等高新技术发展的基础，也是美国、德国等发达国家竞相发展的核心技术之一。
当前制约高功率飞秒光梳及其控制技术发展的难题主要有：
(1) 高功率飞秒激光放大过程中的增益窄化使脉冲谱宽小于注入脉冲谱宽，限制了压缩后的脉冲宽度，国际上开展的光纤高功率放大实验仅能获得200 fs以上高功率脉冲。
(2) 光纤自身的非线性效应和高阶色散直接影响脉冲在放大过程中的传输特性，特别是脉冲展宽器件与压缩器件间的色散参数失配，将导致压缩后的脉冲畸变。
(3) 光纤放大过程中不可避免的强度-相位噪声、增益竞争、自陡峭效应等不利因素严重影响其光场控制精度，高功率光纤飞秒激光的时-频域精密控制更是成为精密激光技术领域的难题。
针对以上问题，我们发展了预啁啾管理的非线性放大控制、主动控制光纤激光锁模启动和相位漂移等新方法和新技术，首次将棱栅应用于非线性光纤放大系统，实现了对非线性脉冲演化的精密操控，解决了有限增益带宽、高阶色散、非线性相移引起的压缩脉冲畸变的难题，突破了增益窄化的限制。我们成功研制了目前国际上输出脉宽最短的百瓦量级飞秒光学频率梳系统，获得平均功率109 W，脉宽42 fs的高功率光纤光梳，为实现长期稳定光纤光梳提供了很好的技术方案[4]。
基于自相似放大器的高功率光学频率梳系统
光频梳的迅猛发展带动了许多新测量技术的产生，其中，双光学频率梳测量技术基于两个光学频率梳时域干涉实现，不仅天然地具有光梳时-频域高精度及宽光谱的特性，还具有无机械扫描和探测简单的优点，在宽带、快速、高分辨的光谱测量领域展现出无穷的潜力，成为近年来的研究热点。
我们将双光梳测量技术、光谱编码技术和光学参考技术进行结合，提出了光谱编码的双光梳3D快速成像新方法，实现了绝对距离、2D反射率图像和3D形貌图像的快速同时获取。使用两台重复频率略有差别的光频梳，其中一个为“信号光梳”，信号光经偏振分束器分为参考光和探测光，另一个作为“本地光梳”。
探测光进行光斑大小调整后，再经色散元件在空间上均匀展开，通过透镜在焦面处形成一维线阵，波长与空间位置形成一一对应的关系。光频梳信号具有的宽带光谱成分相当于约100000根单纵模连续激光器，当每个纵模在空间上分离排列，通过探测每个纵模的幅度和相位信息即可实现空间大范围高分辨的形貌测量。光谱线阵经样品表面反射加载对应位置处的反射率信息和相位距离信息，再原路返回经色散元件重新在空间上重合。
而本地光梳经偏振分束器一分为二，分别与参考光和探测光一起聚焦到两个不同的探测器上实现双光梳拍频探测。基于一维光谱编码技术和双光梳拍频探测器，可以实现快速的一维形貌信息探测，再加上竖直方向一个维度的机械扫描，就能获得样品的三维形貌信息。
另外，我们引入参考臂，利用光学参考技术可以进一步获得绝对位置信息，实时校正因为激光源在光频上抖动而引入的图像畸变。通过对两个探测器信息的实时采集与处理，即可反演获得相应的距离信息和形貌信息。
双光梳3D成像技术系统图
采用自研的光谱编码双光梳3D快速成像系统可获得横向的分辨率达22 μm、纵向分辨率达12 μm，测量一张完整清晰的图形仅需要252 ms，达到了快速和精确测量的目标[5]。
光学频率梳已然成为科学家们做研究的重要科研工具之一。未来，光频梳技术可能成为家庭或企业中不可缺少的应用工具，比如在家庭医疗器械、矿石鉴定、化学材料合成、国防力量及太空计划都将有重要的应用。
[1] J. N. Eckstein, A. I. Ferguson, and T. W. Hänsch, High-resolution two-photon spectroscopy with picosecond light pulses, Physical Review Letters, 40(13), 847 (1978).
[2] D. E. Spence, P. N. Kean, and W. Sibbett, 60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti: sapphire laser, Optics Letters, 16(1), 42-44 (1991).
[3] U. Keller, Recent developments in compact ultrafast lasers, Nature, 424(6950), 831-838 (2003).
[4] Daping Luo, Yang Liu, Chenglin Gu, Chao Wang, Zhiwei Zhu, Wenchao Zhang, Zejiang Deng, Lian Zhou, Wenxue Li, and Heping Zeng, High-power Yb-fiber comb based on pre-chirped-management selfsimilar amplification, Applied Physics Letters 112, 061106 (2018).
[5] Chao Wang, Zejiang Deng, Chenglin Gu, Yang Liu, Daping Luo, Zhiwei Zhu, Wenxue Li, and Heping Zeng, Line-scan spectrum-encoded imaging by dual-comb interferometry, Optics Letters 47, 1606 (2018).
李文雪，华东师范大学研究员，入选国家自然科学基金优秀青年基金项目。发展强度-频谱-相位-偏振高精度控制的新方法，研制成国际上首套平均功率达百瓦的高功率近红外飞秒光梳系统；基于自行研制的紫外飞秒激光实验系统，提出并实验发展了等离子体光栅光谱的新机制和新方法。
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