日本FUJITOK 超低噪音雙梳激光器 介紹

在精密測量、光譜學(xué)以及基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域，對光源的穩(wěn)定性、精確度和測量速度的要求日益嚴苛。傳統(tǒng)激光技術(shù)在某些應(yīng)用場景中逐漸顯現(xiàn)出其局限性。在此背景下，雙光頻梳技術(shù)應(yīng)運而生，它革新了光學(xué)測量的范式。日本FUJITOK公司作為精密光學(xué)設(shè)備的供應(yīng)商，其開發(fā)的超低噪音雙梳激光器系統(tǒng)，以其卓的越的性能和穩(wěn)定性，為科研與工業(yè)檢測提供了有力的工具。

一、 雙光頻梳技術(shù)的基本原理

要理解FUJITOK雙梳激光器的價值，首先需了解雙光頻梳技術(shù)的工作原理。

光頻梳，顧名思義，是一種在頻域上擁有一系列等間距、如同梳齒般離散譜線的特殊光源。這些梳齒的頻率可以極為精確地表示為：f_n = f_ceo + n * f_rep。其中，f_rep 是脈沖重復(fù)頻率，n 是一個巨大的整數(shù)模式序數(shù)，而 f_ceo 是載波包絡(luò)偏移頻率。

雙光頻梳系統(tǒng)包含兩臺鎖模激光器，它們各自產(chǎn)生一個光頻梳。這兩個光頻梳具有略微不同的重復(fù)頻率（f_rep1 和 f_rep2，其差值 Δf_rep 通常在幾百赫茲到幾千赫茲之間）。當(dāng)這兩束光組合并照射到一個快速光電探測器上時，會發(fā)生光學(xué)外差干涉。

由于兩個光頻梳的梳齒間距（f_rep）略有不同，它們在探測器上會發(fā)生“異步光學(xué)采樣”效應(yīng)。簡單來說，這相當(dāng)于用一個光頻梳的每一個梳齒去掃描另一個光頻梳的每一個梳齒。其結(jié)果是，在射頻域產(chǎn)生一系列拍頻信號。原本位于數(shù)百太赫茲（10^14 Hz）的光學(xué)頻率信息，被下轉(zhuǎn)換到易于電子設(shè)備處理的射頻或微波頻率（通常低于1 GHz）范圍內(nèi)。這些拍頻信號包含了被測樣品吸收、反射或散射的全部光譜信息，可以通過傅里葉變換直接復(fù)原出高精度的光學(xué)光譜。

二、 FUJITOK超低噪音雙梳激光器的核心特性

FUJITOK的雙梳激光器系統(tǒng)并非簡單地將兩臺的獨立激光器拼湊而成，而是通過精心的整體設(shè)計，致力于實現(xiàn)系統(tǒng)級的超低噪音和高穩(wěn)定性。

1. 一體化的共同腔體設(shè)計：
   許多雙梳系統(tǒng)采用兩個物理上分離的激光諧振腔，這使得它們對環(huán)境振動、溫度和氣流波動極為敏感，導(dǎo)致兩個光頻梳的相對關(guān)系難以保持穩(wěn)定。FUJITOK的一項關(guān)鍵技術(shù)是采用一體化共同腔體設(shè)計，或通過精密的伺服控制技術(shù)將兩個光頻梳緊密耦合。這意味著兩個光頻梳共享大部分物理光路，暴露在幾乎相同的環(huán)境擾動下。因此，共模噪聲（如溫度漂移、機械振動）對兩個光梳的影響是相似的，在后續(xù)的差分測量中，這些共模噪聲可以被大幅抑制，從而顯著提升系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和魯棒性。

2. 超低噪聲鎖模機制：
   激光器本身的強度噪聲和相位噪聲是影響測量信噪比和精度的關(guān)鍵因素。FUJITOK激光器采用優(yōu)化的鎖模技術(shù)，例如非線性偏振旋轉(zhuǎn)或半導(dǎo)體可飽和吸收鏡等技術(shù)，能夠產(chǎn)生極其穩(wěn)定和干凈的飛秒激光脈沖。其強度噪聲和時序抖動被控制在極低的水平，這直接轉(zhuǎn)化為射頻域拍頻信號更窄的線寬和更高的信噪比，為高精度測量奠定了基礎(chǔ)。

3. 精密的頻率控制系統(tǒng)：
   為了實現(xiàn)絕對頻率精度和長期穩(wěn)定運行，該系統(tǒng)集成了多套反饋控制回路。通過相位鎖定技術(shù)，將兩個光頻梳的重復(fù)頻率（f_rep1, f_rep2）和載波包絡(luò)偏移頻率（f_ceo1, f_ceo2）分別鎖定在一個超穩(wěn)射頻參考源（如原子鐘或高穩(wěn)晶體振蕩器）上。這使得光頻梳的每一個梳齒都具有了與參考源相當(dāng)?shù)念l率精度和穩(wěn)定度。這種主動控制確保了系統(tǒng)在數(shù)小時甚至數(shù)天的連續(xù)運行中，性能不會發(fā)生漂移。

4. 用戶友好的系統(tǒng)集成：
   FUJITOK將雙梳激光器作為一個完整的測量解決方案來提供。系統(tǒng)通常包含激光頭、電子控制系統(tǒng)、頻率鎖相模塊以及必要的數(shù)據(jù)采集軟件。其設(shè)計考慮了實際操作的便利性，旨在降低用戶構(gòu)建和維護復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)門檻。緊湊的機械結(jié)構(gòu)和良好的熱設(shè)計也為其在不同實驗環(huán)境下的部署提供了便利。

三、 主要應(yīng)用領(lǐng)域

基于上述技術(shù)特性，F(xiàn)UJITOK超低噪音雙梳激光器在多個前沿科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

• 雙光梳光譜學(xué)：
  這是其最典型的應(yīng)用。它能夠在微秒量級的時間內(nèi)獲取覆蓋寬光譜范圍的高分辨率吸收光譜。這種“快照式”光譜測量能力，使其非常適合研究動態(tài)過程，如發(fā)動機燃燒診斷、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)監(jiān)測、大氣痕量氣體快速分析以及生物醫(yī)學(xué)中的呼氣檢測等。

• 絕對距離測量：
  利用光頻梳的飛行時間測距和干涉測距相結(jié)合的原理，雙梳系統(tǒng)可以實現(xiàn)對大量程距離的納米級精度測量。同時，它具備高更新率，可用于跟蹤快速移動目標、大尺度結(jié)構(gòu)的形變監(jiān)測（如飛機機翼、橋梁）和工業(yè)精密測控。

• 光學(xué)相干斷層掃描：
  與傳統(tǒng)的低相干光源OCT相比，雙梳OCT能夠在不移動參考臂的情況下，通過探測射頻信號來獲取深度信息，從而實現(xiàn)更高的成像速度和更大的景深。這在眼科醫(yī)學(xué)、材料檢測等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

• 微波光子學(xué)與光學(xué)頻率合成：
  超低噪聲的光頻梳可以作為高性能的光學(xué)到微波的頻率轉(zhuǎn)換器，生成純凈度極的高的微波信號。這對于下一代通信技術(shù)、雷達系統(tǒng)和基礎(chǔ)物理研究（如暗物質(zhì)探測）具有重要意義。

• 化學(xué)成分分析與計量學(xué)：
  在實驗室環(huán)境中，其高精度和高分辨率的特點，使其成為光譜數(shù)據(jù)庫定標、同位素比率精密測量以及新材料光學(xué)常數(shù)表征的強大工具。

四、 總結(jié)

日本FUJITOK的超低噪音雙梳激光器代表了光頻梳技術(shù)從實驗室原型走向穩(wěn)定、可靠應(yīng)用工具的發(fā)展方向。其核心優(yōu)勢在于通過一體化的穩(wěn)定設(shè)計、低噪聲的激光源和精密的頻率控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)級的超低噪聲和長期穩(wěn)定運行。它并非聚焦于單一的參數(shù)突破，而是追求整體性能的均衡與卓的越。

這種儀器為科學(xué)研究人員和工程師提供了一種強大的探測手段，使得他們能夠以更高的速度、更高的精度和更高的靈敏度去探索物質(zhì)世界，從而推動基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和先進工業(yè)技術(shù)的進步。它的存在，為精密測量科學(xué)樹立了一個值得參考的技術(shù)標的桿。