飞秒光学频率梳在精密测量中的应用

　　1　引　　言

　　光源的发展直接推动了测量科学的进步。1960年激光的发明提供了一种理想的相干光源，随着连续波(CW)稳频激光器的发展，其频率稳定度已经可以达到10-11～10^-14，极大地提高了激光干涉测量的精确度[1，2]。

　　1983年第17届国际计量大会上正式通过了新的米定义：米是光在真空中(1/299792458)s时间间隔内所经路程的长度[2]。国际计量大会在通过新的米定义的同时，通过了实施米定义的3个途径，其中之一为直接应用国际米定义咨询委员会(CCDM)推荐的几种稳频激光器的频率值与波长值[2]。几经修改，CCDM 共推荐了13种基于饱和吸收稳频的激光频率，其中包括¹²⁷I₂(532，633nm)、CH₄(3392nm)、⁸⁵Rb(778nm)和⁴⁰Ca(657nm)等[2]。利用CCDM 推荐的稳频激光光源直接进行干涉测量或将测量激光器的频率与CCDM 推荐的稳频激光频率建立联系均可获得具有计量学意义的测量结果。

　　正交偏振双纵模激光器和外腔可调谐半导体激光器的出现也极大地促进了激光精密测量方法的发展。1970年，惠普公司推出了基于正交偏振双纵模 He-Ne激光 器 的 双频外差干涉仪用于增量式位移量，其测量精度可达λ/16(λ为激光波长)。随着半导体工艺对纳米位移定位需求的发展，双频外差激光干涉仪以其高的测量精确度和良好的在线性能而被广泛研究。从20世纪80年代起至今，清华大学对基于 He-Ne光器的正交偏振双纵模现象、产生机理和应用进行了系统研究[3]，并研发了基于正交偏振双纵模He-Ne激光器的双频外差干涉仪，用于工件台的纳米位移定位[4]。20世纪90年代初，基于光栅稳频的外腔可调谐半导体激光器迅速发展，其输出激光频率可由工作电流、电压和温度等参量控制，通常可实现激光频率在几十吉赫兹范围内连续调谐，且其激光线宽仅为几百千赫兹。基于以上优势，目前外腔可调谐半导体激光在干涉测量[5，6]和冷原子[7，8]等领域都有着不可替代的作用。

　　2005年，德国 Max-Plank研究所的Hnsch[9]和美国JILA 研究所的 Hall[10]因在飞秒光学频率梳(简称“飞秒光频梳”或“光频梳”)方面的贡献共同获得了诺贝尔物理学奖。飞秒光频梳是利用将频率溯源至微波频率基准的飞秒锁模激光产生一系列在频率域上稳定的激光光谱，其可将激光频率的测量转化为微波频率的测量，从而使得直接绝对测量激光频率成为可能[11]。飞秒光频梳作为一种特殊的激光光源，在时间域为飞秒脉冲激光，在频率域为等频率间隔的激光频率梳，在其他物理量的精密测量中也有着重要应用[12，13]。