光学频率梳已经成为继超短脉冲激光问世之后激光技术领域又一重大突破。在该领域内，开展开创性工作的两位科学家J. Hall和T. W. H?nsch于2005年获得了诺贝尔奖。原理上，光学频率梳在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列，在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络，其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡慢变包络的时间宽度满足傅里叶变换关系。超短脉冲的这种在时域和频域上的分布特性就好似我们日常所用的梳子，形象化的称之光学波段的频率梳，简称"光梳"。光梳相当于一个光学频率综合发生器，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将铯原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中。
获得光梳的关键首先是实现稳定的超短脉冲输出，其次是实现对该超短脉冲序列在时域及频域的精密控制，即对超短脉冲的载波包络相位和激光脉冲重复频率的控制。早期的光梳光源都是基于传统的钛宝石飞秒激光器构建而成。美国天体物理联合实验室J. Hall教授等人首次利用自参考f-2f技术实现了载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，这标志着飞秒光学频率梳的诞生。
随着激光技术的不断革新及其应用的逐步细分，钛宝石激光器已越发无法满足实际的应用需求，其主要原因在于钛宝石激光器的光路结构复杂、体积庞大、成本昂贵，需要专业的维护人员。此外，钛宝石激光器还必须安置于超净环境中，需要独立的水循环制冷和恒温条件，以实现激光器的长期稳定工作。激光器制造企业的维护人员需频繁往返于其客户之间，以帮助客户解决激光器使用过程中出现的问题。特别是，当激光器的关键部件，如激光晶体或泵浦系统由于偶发因素损坏时，更换零部件往往需要三个月甚至半年以上。
近年，基于波导结构的光纤超短脉冲激光器及光纤光梳逐渐走进了人们的视野。光纤激光器具有优异的稳定性、结构紧凑、价格合理，且易于维护，解决了超短脉冲在用户层面的窘境。光纤激光器作为第三代激光技术的代表，在科学研究及工业加工等应用领域具有诸多明显优势：光纤波导制造成本低；光纤的柔性及可缠绕性有利于实现激光器的小型化和模块化；光纤无需激光晶体那样严格的模式匹配或相位匹配；光纤激光器内部仅有较少或者几乎没有光学镜片，稳定性极佳；光纤激光器全封闭的光路结构能胜任恶劣的工作环境，对冲击震荡、湿度温度、灰尘颗粒具有较高的容忍度；此外，光纤激光器具有较高的电光效率，电光效率可达20%以上，显著节约了激光器的运行成本。
光纤的另一主要优势就是，通过选用各种掺杂的有源光纤和不同色散量及模场直径传输光纤，光纤光源可以实现相比钛宝石光源更宽光谱范围的激光输出，如1030nm波段的掺镱光纤激光非线性展宽后可覆盖600-1400nm，1560nm波段的掺铒光纤激光非线性展宽后可覆盖1000-2200nm，2.0μm波段的掺铥光纤激光非线性展宽后可覆盖1350-2700nm。
超短脉冲光纤激光器及光纤光梳的产品化是光纤激光技术发展的源动力。国外早在1990年就开始了超短脉冲光纤激光器产品化的探索工作，并涌现出如IMRA、Calmar、Fiannium、Menlosystems、Toptica等著名公司。近年，在我国政府的引导下，科研领域的成果加速了成果转化，一些高科技含量的超短脉冲光纤激光技术公司及产品陆续涌现，如上海朗研光电科技有限公司780nm、1064nm、1550nm等系列波长的超短脉冲激光器。
朗研780nm飞秒激光器LF7808
作为激光技术和计量科学的一个革命性的突破，光纤光梳有望极大地加速精密光谱和精密测量学的发展，为发展比原子微波钟更精确的时间和频率标准创造了条件，对物理常量的精确测定有重大意义。光梳的应用初衷，是测量未知频率。任何落在光梳频率范围内的未知频率都可以通过它与光梳之间的拍频来测得其精确值。通过波长计粗略估计拍频发生的频率位置，然后再确定该拍频的大小和符号，即可求得未知频率的值，精确度可达10-14水平。其次，光梳可以用于研制光学原子钟。飞秒光梳采用从微波频率作为基准。如果采用相反的过程，从光学频率外推至微波频率，即将飞秒光梳锁定到某个光学频率基准以后，可用它来产生微波频率范围的时钟基准。这种思想引发了光学原子钟的诞生，它有可能提供高达10-18精度的时间频率标准。第三个方面，可见及近红外波段的光梳只能用于有限的原子离子族跃迁光谱测量，对于更多其他族的跃迁谱线则需要紫外波段的光梳或者阿秒光钟来进行测量。阿秒光钟不仅可以用于观察化学反应中分子和原子的运动，而且捕捉到电子从原子或离子脱离的过程。此外，鉴于光纤光梳的时频域特性，其在绝对距离测量、反斯托克斯拉曼散射成像等方面有着极其重要的应用。
(审核编辑: 智汇张瑜)
