Frekvenskam

Inom optik är en frekvenskam en laserkälla vars spektrum består av en serie diskreta, lika åtskilda frekvenslinjer. Frekvenskammar kan genereras av ett antal mekanismer, inklusive periodisk modulering (i amplitud och/eller fas) av en kontinuerlig våglaser , fyrvågsblandning i icke-linjära media eller stabilisering av pulståget som genereras av en modlåst laser . Mycket arbete har ägnats åt denna sista mekanism, som utvecklades runt 2000-talet och i slutändan ledde till att hälften av Nobelpriset i fysik delades av John L. Hall och Theodor W. Hänsch 2005.

Frekvensdomänrepresentationen av en perfekt frekvenskam är en serie deltafunktioner fördelade enligt

f_{n}=f_{0}+n\,f_{r},

där $n$ är ett heltal, $f_{r}$ är kamtandsavståndet (lika med den modlåsta laserns repetitionsfrekvens eller, alternativt, moduleringsfrekvensen), och $f_{0}$ är bärvågsoffsetfrekvensen, som är mindre än $f_{r}$ .

Kammar som spänner över en oktav i frekvens (dvs. en faktor två) kan användas för att direkt mäta (och korrigera för drifter in) $f_{0}$ . Således kan oktavspännande kammar användas för att styra en piezoelektrisk spegel inom en faskorrigerande återkopplingsslinga för bärvågs-envelopp . Varje mekanism genom vilken kammas två frihetsgrader ( $f_{r}$ och $f_{0}$ ) stabiliseras genererar en kam som är användbar för att kartlägga optiska frekvenser i radiofrekvensen för den direkta mätningen av optisk frekvens.

En ultrakort ljuspuls i tidsdomänen. Det elektriska fältet är en sinusform med ett gaussiskt hölje. Pulslängden är i storleksordningen några 100 fs

Generation

Använder en lägeslåst laser

En Dirac-kam är en oändlig serie Dirac-deltafunktioner fördelade med intervall om T ; Fouriertransformen i tidsdomän är en Dirac-kam i frekvensdomänen .

Det populäraste sättet att generera en frekvenskam är med en lägeslåst laser . Sådana lasrar producerar en serie optiska pulser separerade i tid av laserkavitetens tur och returtid. Spektrumet för ett sådant pulståg approximerar en serie Dirac-deltafunktioner åtskilda av laserns repetitionshastighet (omvändningen av tiden för tur och retur). Denna serie av skarpa spektrallinjer kallas en frekvenskam eller en frekvens Dirac-kam .

De vanligaste lasrarna som används för frekvenskamgenerering är Ti:sapphire solid state-lasrar eller Er:fiberlasrar med repetitionshastigheter mellan 100 MHz och 1 GHz eller till och med så höga som 10 GHz.

Använder fyrvågsblandning

Fyrvågsblandning är en process där intensivt ljus vid tre frekvenser $f_{1},f_{2},f_{3}$ interagerar för att producera ljus vid en fjärde frekvens $f_{4}=f_{1}+f_{2}-f_{3}$ . Om de tre frekvenserna är en del av en perfekt åtskild frekvenskam, krävs det matematiskt att den fjärde frekvensen också är en del av samma kam.

Med början med intensivt ljus vid två eller flera lika fördelade frekvenser, kan denna process generera ljus vid fler och fler olika lika fördelade frekvenser. Till exempel, om det finns många fotoner vid två frekvenser $f_{1},f_{2}$ , kan fyrvågsblandning generera ljus vid den nya frekvensen $2f_{1}-f_{2}$ . Denna nya frekvens skulle gradvis bli mer intensiv, och ljuset kan därefter kaskaderas till fler och fler nya frekvenser på samma kam.

Därför är ett konceptuellt enkelt sätt att göra en optisk frekvenskam att ta två högeffektslasrar med lite olika frekvens och lysa dem samtidigt genom en fotonisk kristallfiber . Detta skapar en frekvenskam genom fyrvågsblandning enligt beskrivningen ovan.

I mikroresonatorer

En alternativ variant av fyrvågsblandningsbaserade frekvenskammar är känd som Kerr-frekvenskam . Här kopplas en enda laser in i en mikroresonator (som en mikroskopisk glasskiva som har viskningsgallerilägen ). Denna typ av struktur har naturligtvis en serie resonanslägen med ungefär lika fördelade frekvenser (liknar en Fabry-Pérot-interferometer) . Tyvärr är resonanslägena inte exakt lika fördelade på grund av dispersion . Trots det kan fyrvågsblandningseffekten ovan skapa och stabilisera en perfekt frekvenskam i en sådan struktur. I grund och botten genererar systemet en perfekt kam som överlappar resonanslägena så mycket som möjligt. Faktum är att olinjära effekter kan ändra resonanslägena för att förbättra överlappningen med den perfekta kammen ännu mer. (Resonanslägesfrekvenserna beror på brytningsindex, som ändras av den optiska Kerr-effekten .)

I tidsdomänen, medan modlåsta lasrar nästan alltid sänder ut en serie korta pulser, gör inte Kerr-frekvenskammarna det i allmänhet. En speciell undertyp av Kerr-frekvenskam, i vilken en "kavitetssoliton" bildas i mikroresonatorn, avger emellertid en serie pulser .

Använder elektrooptisk modulering av en kontinuerlig våglaser

En optisk frekvenskam kan genereras genom att modulera amplituden och/eller fasen hos en kontinuerlig våglaser med en extern modulator som drivs av en radiofrekvenskälla. På detta sätt centreras frekvenskammen kring den optiska frekvensen som tillhandahålls av den kontinuerliga våglasern och moduleringsfrekvensen eller upprepningshastigheten ges av den externa radiofrekvenskällan. Fördelen med denna metod är att den kan nå mycket högre repetitionshastigheter (>10 GHz) än med lägeslåsta lasrar och kammens två frihetsgrader kan ställas in oberoende av varandra. Antalet linjer är lägre än med en lägeslåst laser (vanligtvis några tiotal), men bandbredden kan breddas avsevärt med icke-linjära fibrer. Denna typ av optisk frekvenskam brukar kallas elektrooptisk frekvenskam. De första schemana använde en fasmodulator inuti en integrerad Fabry-Perot-kavitet, men med framsteg inom elektrooptiska modulatorer är nya arrangemang möjliga.

Lågfrekventa kammar som använder elektronik

En rent elektronisk anordning som genererar en serie pulser, genererar också en frekvenskam. Dessa tillverkas för elektroniska samplingsoscilloskop , men används också för frekvensjämförelse av mikrovågor, eftersom de når upp till 1 THz. Eftersom de inkluderar 0 Hz, behöver de inte tricken som utgör resten av den här artikeln.

Frekvenskam breddas till en oktav

För många tillämpningar måste kammen breddas till minst en oktav : ^{[ citat behövs ]} det vill säga den högsta frekvensen i spektrumet måste vara minst två gånger den lägsta frekvensen. En av tre tekniker kan användas:

superkontinuumgenerering genom stark självfasmodulering i olinjär fotonisk kristallfiber eller integrerad vågledare
en Ti:safirlaser som använder intrakavitets självfasmodulering
den andra övertonen kan alstras i en lång kristall så att genom på varandra följande generering av summafrekvens och differensfrekvensgenerering vidgas spektrumet av första och andra överton tills de överlappar varandra.

Dessa processer genererar nya frekvenser på samma kam av liknande skäl som diskuterats ovan .

Förskjutningsmätning för bärare-kuvert

Skillnad mellan grupp- och fashastighet som leder till bärvåg-envelope offset

En ökande offset mellan den optiska fasen och maximivärdet för vågenveloppen för en optisk puls kan ses till höger. Varje linje förskjuts från en överton av repetitionsfrekvensen av bärvåg-envelope-offsetfrekvensen. Bärvåg-enveloppens offsetfrekvens är den hastighet med vilken toppen av bärvågsfrekvensen glider från toppen av pulsenveloppen på puls-till-puls-basis.

Mätning av bärvåg-enveloppens offsetfrekvens görs vanligtvis med en självreferensteknik, där fasen för en del av spektrumet jämförs med dess överton. Olika möjliga tillvägagångssätt för bärvåg-enveloppförskjutningsfaskontroll föreslogs 1999. De två enklaste tillvägagångssätten, som endast kräver en olinjär optisk process, beskrivs i det följande.

I tekniken " f - 2 f " fördubblas ljuset på den lägre energisidan av det bredda spektrumet med användning av andra övertonsgenerering (SHG) i en icke-linjär kristall, och ett heterodynt slag genereras mellan det och ljus vid samma våglängd på den övre energisidan av spektrumet. Denna taktsignal, som kan detekteras med en fotodiod , inkluderar en differensfrekvenskomponent, som är bärvåg-enveloppens offsetfrekvens.

Alternativt kan differensfrekvensgenerering (DFG) användas. Från ljus av motsatta ändar av det breddade spektrumet genereras skillnadsfrekvensen i en icke-linjär kristall, och ett heterodynt slag mellan denna blandningsprodukt och ljus vid samma våglängd av det ursprungliga spektrumet mäts. Denna slagfrekvens, som kan detekteras med en fotodiod , är offsetfrekvensen för bärvåg-envelope.

Eftersom fasen mäts direkt , och inte frekvensen, är det möjligt att ställa in frekvensen till noll och dessutom låsa fasen, men eftersom intensiteten hos lasern och denna detektor inte är särskilt stabil, och eftersom hela spektrumet slår i fas , måste man låsa fasen på en bråkdel av upprepningsfrekvensen.

Transportör-kuvert offsetkontroll

I avsaknad av aktiv stabilisering skulle repetitionshastigheten och bärvåg-envelope-offsetfrekvensen vara fria att driva. De varierar med förändringar i kavitetens längd, brytningsindex för laseroptik och olinjära effekter som Kerr-effekten . Upprepningshastigheten kan stabiliseras med en piezoelektrisk givare, som flyttar en spegel för att ändra kavitetslängden.

I Ti:sapphire-lasrar som använder prismor för spridningskontroll kan bärvåg-envelope-offsetfrekvensen styras genom att luta den höga reflektorspegeln i slutet av prismaparet. Detta kan göras med piezoelektriska givare.

I Ti:safirringlasrar med hög upprepningshastighet, som ofta använder dubbla pipspeglar för att kontrollera spridningen, används ofta modulering av pumpeffekten med en akusto-optisk modulator för att styra offsetfrekvensen. Fasglidningen beror starkt på Kerr-effekten, och genom att ändra pumpeffekten ändrar man laserpulsens toppintensitet och därmed storleken på Kerr-fasskiftet. Denna förskjutning är mycket mindre än 6 rad, så en extra enhet för grovjustering behövs. Ett par kilar, en som rör sig in eller ut ur laserstrålen i kaviteten kan användas för detta ändamål.

Genombrottet som ledde till en praktisk frekvenskam var utvecklingen av teknik för att stabilisera bärvåg-enveloppens offsetfrekvens.

Ett alternativ till att stabilisera bärvåg-envelope-offsetfrekvensen är att avbryta den helt genom att använda differensfrekvensgenerering (DFG). Om skillnadsfrekvensen för ljus i motsatta ändar av ett breddat spektrum genereras i en icke-linjär kristall, är den resulterande frekvenskammen bärvåg-envelopp-offset-fri eftersom de två spektrala delarna som bidrar till DFG delar samma bärvåg-envelope offset-frekvens (VD). frekvens). Detta föreslogs första gången 1999 och demonstrerades 2011 med en erbiumfiberfrekvenskam vid telekomvåglängden. Detta enkla tillvägagångssätt har fördelen att ingen elektronisk återkopplingsslinga behövs som i konventionella stabiliseringstekniker. Den lovar att bli mer robust och stabil mot miljöstörningar.

Ansökningar

Spektrum av ljuset från tvålaserfrekvenskammarna installerade på High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher .

En frekvenskam möjliggör en direkt länk från radiofrekvensstandarder till optiska frekvenser. Nuvarande frekvensstandarder såsom atomklockor fungerar i mikrovågsområdet av spektrumet, och frekvenskammen för in noggrannheten hos sådana klockor till den optiska delen av det elektromagnetiska spektrumet. En enkel elektronisk återkopplingsslinga kan låsa upprepningsfrekvensen till en frekvensstandard.

Det finns två distinkta tillämpningar av denna teknik. Den ena är den optiska klockan , där en optisk frekvens överlappas med en enda tand i kammen på en fotodiod, och en radiofrekvens jämförs med slagsignalen, repetitionsfrekvensen och CEO-frekvensen (bärvåg-envelope-offset). Tillämpningar för frekvenskamtekniken inkluderar optisk metrologi , frekvenskedjegenerering, optiska atomur , högprecisionsspektroskopi och mer exakt GPS- teknik.

Illustration som visar hur spårgaser detekteras i fält med hjälp av en mobil dubbelfrekvenskamlaserspektrometer. Spektrometern sitter i mitten av en cirkel som är ringad med retroreflekterande speglar. Laserljus från spektrometern (gul linje) passerar genom ett gasmoln, träffar retroreflektorn och återförs direkt till dess ursprungspunkt. Data som samlas in används för att identifiera läckande spårgaser (inklusive metan), samt läckor och deras utsläppshastigheter.

Den andra gör experiment med fåcykliska pulser , som jonisering över tröskeln , attosekundpulser , högeffektiv olinjär optik eller generering av hög övertoner . Dessa kan vara enstaka pulser, så att det inte finns någon kam, och därför är det inte möjligt att definiera en bärvåg-enveloppoffsetfrekvens, snarare är bärvåg-enveloppoffsetfasen viktig. En andra fotodiod kan läggas till inställningen för att samla fas och amplitud i ett enda skott, eller så kan skillnadsfrekvensgenerering användas för att till och med låsa offseten på en enstaka tagningsbasis, om än med låg effekteffektivitet.

Utan en riktig kam kan man titta på fasen vs frekvensen. Utan en bärvåg-envelope-offset är alla frekvenser cosinus. Det betyder att alla frekvenser har fasen noll. Tidsursprunget är godtyckligt. Om en puls kommer vid senare tillfällen ökar fasen linjärt med frekvensen, men fortfarande är nollfrekvensfasen noll. Denna fas vid nollfrekvens är bärvåg-envelopp-offset. Den andra övertonen har inte bara två gånger frekvensen, utan också två gånger fasen. För en puls med nollförskjutning är sålunda den andra övertonen av lågfrekvenssvansen i fas med grundtonen för den högfrekventa svansen, och annars är den inte det. Spektral fasinterferometri för direkt elektrisk fältrekonstruktion ( SPIDER) mäter hur fasen ökar med frekvensen, men den kan inte bestämma offset, så namnet "elektrisk fältrekonstruktion" är lite missvisande.

Under de senaste åren har frekvenskammen väckt intresse för astro-kamapplikationer , vilket utökar användningen av tekniken som ett spektrografiskt observationsverktyg inom astronomi .

Det finns andra applikationer som inte behöver låsa bärvågs-enveloppens offsetfrekvens till en radiofrekvenssignal. Dessa inkluderar bland annat optisk kommunikation, syntes av optiska godtyckliga vågformer, spektroskopi (särskilt dubbelkammsspektroskopi) eller radiofrekvent fotonik.

Optiska frekvenskammar kan mäta utsläpp av växthusgaser med stor precision. Under 2019 använde forskare vid NIST spektroskopi för att se hur mycket metanolja och gasfält släppte ut.

Historia

Theodor W. Hänsch och John L. Hall delade på hälften av 2005 års Nobelpris i fysik för bidrag till utvecklingen av laserbaserad precisionsspektroskopi, inklusive den optiska frekvenskamtekniken. Den andra halvan av priset tilldelades Roy Glauber .

Också 2005 utvidgades femtosekundskamtekniken till det extrema ultravioletta området, vilket möjliggjorde frekvensmetrologi i den delen av spektrumet.

Se även

Vidare läsning

Nathalie Picqué; Theodor Hänsch (2019). "Frekvenskamspektroskopi". Naturfotonik . 13 (3): 146–157. arXiv : 1902.11249 . Bibcode : 2019NaPho..13..146P . doi : 10.1038/s41566-018-0347-5 . S2CID 119189885 .
Steven T. Cundiff; Jun Ye (2003). " Colloquium : Femtosekunds optiska frekvenskammar". Recensioner av modern fysik . 75 (1): 325. Bibcode : 2003RvMP...75..325C . CiteSeerX 10.1.1.152.1154 . doi : 10.1103/RevModPhys.75.325 .
John L Hall & Theodor W Hänsch (2004). "Historia om optisk kamutveckling" (PDF) . I Jun Ye, Steven T Cundiff (red.). Femtosekund optisk frekvenskam . Springer. ISBN 978-0-387-23790-9 .
Andrew M. Weiner (2009). Ultrasnabb optik . Wiley. ISBN 978-0-471-41539-8 .
Nobelpriset i fysik (2005) Pressmeddelande

externa länkar

Attosecond kontroll av optiska vågformer
Femtosekund laserkam
Optisk frekvenskam för dimensionell metrologi, atom- och molekylspektroskopi och exakt tidshållning
Linjaler av ljus: Använda laser för att mäta avstånd och tid av Steven Cundiff i Scientific American
On-chip, elektroniskt inställbar frekvenskam , artikel av Leah Burrows | 18 mars 2019
Optical Frequency Combs förklaring av NIST