从精准捕捉大气中温室气体轨迹的 “环保哨兵”，到为航天器丈量星际距离的 “精准标尺”，光学频率梳正以惊人的力量悄然改变着多个领域。这种特殊激光光源产生的光谱，由一系列等间距的尖锐谱线组成，如同梳齿般整齐排列，因此被形象地称为 “光梳”，堪称现代光学领域当之无愧的革命性工具。

光频梳具有三大核心优势

超宽光谱范围：可将光学或微波参考频率的准确度与稳定度传递到其它目标波段。

超高稳定性：在宽波段范围内实现高稳定激光输出。

多功能应用：满足激光绝对频率测量、量子精密测量、量子信息技术和光纤通信等高端应用领域需求。

频准光梳技术突破

 

国内对光学频率梳展开研究已经超过20年，相关性能在研究领域已达到国际顶尖水平，但目前相关产品的产业化程度仍然不够，国内市场在光学频率梳产品方面仍依赖国外。目前，上海频准激光科技股份有限公司最新一代光电一体式紧凑型光频梳有了突破性的进展，将原本占据半个光学平台的系统压缩至标准19寸3U机箱内，同时其性能指标达到国际先进水平。

 

独创的种子光源技术方案：

频准激光光学频率梳种子光源部分采用独创性的技术方案，通过精准控制色散和腔内损耗，在高重频情况下实现极低的锁模阈值，输出稳定的超快激光脉冲，具有长期稳定、结构紧凑、成本低、容易自启动等优点。

 

高信噪比的偏频信号：

光频梳的工作原理基于两个核心参数：重复频率（frep） 和 载波包络偏移频率（fceo） 。其中，重复频率决定了梳齿间距，而载波包络偏移频率则决定了整个梳状结构的偏移。由于光频梳脉冲内载波传输速度与包络脉冲的群速度有差异，存在一个载波包络相位偏移，体现在频域上即为fceo频率（偏频）。

在频准激光的技术方案中，主要采用自参考的方式来获得偏频信号，具体实现过程如下：首先将低噪声超快脉冲激光进行功率放大，后压缩至极限脉宽附近，再输入到高非线性光纤中进行波长拓展，获得可覆盖一个倍频程的宽谱输出，将长波成分进行倍频后与宽谱输出中短波部分进行拍频获得偏频信号。通过这一系列的优化，在100kHz分辨率带宽下，偏频信号的信噪比可达50dB以上，如图1所示。

 

图1. PD探测的高信噪比fceo信号

 

波长拓展技术：

光学频率梳虽常用于测量不同波长的光学频率，但其飞秒光源自身光谱范围较窄，仅约几十纳米。因此，需对其光谱能量进行拓展，以实现超宽光谱覆盖，从而满足不同波段任意光学频率的测量或频率参考需求。

 

频准激光波长拓展采用全光纤技术路线，通过对低噪声的飞秒光源输出的激光脉冲进行功率放大和脉宽控制获得高能量高峰值功率脉冲，再将该脉冲通入到高非线性介质（例如高非线性光纤、晶体光纤或波导）中，注入激光在传播时会产生较强的非线性效应，如自相位调制、受激拉曼散射、四波混频、色散效应和孤子效应等。在这些非线性效应的共同作用下，种子激光的光谱被不断调制而产生新的频率成分实现波长拓展，最终使光谱覆盖可见光和红外波段获得超宽的光谱范围，结果如图2和图3所示。

图2.典型结果一，超连续谱范围500nm-2200nm

图3.典型结果二，超连续谱范围1000nm-2200nm

全波段稳频方案：

在精密测量中，常用的原子类型主要有铷、锶、铯、镱等，每种原子的操控均需要5-6种对准原子特定跃迁谱线的激光波长，其波长覆盖了500-2200nm超宽的波段范围，同时对激光频率稳定性提出了更高的要求。一般来说，把各波长的激光频率参考到超稳腔上是一个比较理想的选择，但是众多波长的激光器都参考到各自的超稳腔上不太现实，需要庞大的系统和高昂的成本。而光学频率梳通过光谱拓展技术覆盖500-2200nm全波段，只需锁定到单一超稳激光器，即可为所有波长提供同等稳定的频率参考，大幅简化系统并降低成本，是多波长激光锁频的理想解决方案。

 

频准激光飞秒激光源经波长拓展模块处理后，可获得 500-2200nm 的超宽光频范围。由此产生的超连续谱进入多波长拍频模块，与参考激光或待锁定激光进行拍频，输出相应的拍频信号。该信号被送入伺服锁定系统后，即可实现对光梳的锁定，或完成对其他需稳定激光器的锁定，如图4所示。

图4.全波段稳频系统示意图

对该系统稳定性性能进行评估，如下图所示。

1055nm到2110nm传递稳定度环外稳定度达到2.44E-17@1s，7.46E-19@100s

光频锁定稳定度<5E-18@1s，<5E-20@100s

Fceo锁定稳定性<3E-17@1s，<3E-20@100s.

射频锁定后阿伦偏差，gate为1s，稳定度2E-13@1s（受限测试设备）

频准光梳卓越性能

 

（1） 光梳种子源：实现重频频率100MHz/250MHz，重频改变范围>500kHz/4MHz，重频自由漂移<50Hz@24h。

（2） 偏频探测模块：fceo线宽<10kHz，fceo信噪比>50dB@100kHz RBW，fceo自由波动范围<10MHz。

（3） 超连续谱脉宽：波长范围涵盖500nm-2200nm，光功率>50mW。

（4） 锁频稳定性：fceo锁定稳定性<3E-17@1s, fbeat锁定稳定性<1E-17@1s，fr锁定稳定性<2E-13@1s。

（5） 全波段频率锁定：500-2200nm超宽的波段范围任意波长锁定。

 

光频梳应用前景

高性能紧凑型光频梳凭借其超精密、宽光谱、高稳定的特性，在不同应用场景中展现出独特价值：

 

天文学和宇宙学

天体的光谱信息是研究宇宙膨胀、暗能量、系外行星的关键，但传统光谱仪的校准精度有限。光梳作为 “绝对光谱标尺”，可大幅提升天体光谱测量的精度。

 

精确测量

光梳的宽频谱覆盖和超高频率稳定性使其成为 “测量标尺”，可实现长度、时间、频率等物理量的精确测量。

 

气体分析

气体分子（如 CO₂、CH₄、VOCs）的振动 / 转动能级跃迁会产生特征吸收光谱，光梳的宽频谱覆盖和超高光谱分辨率使其能快速、精确识别气体成分与浓度。

 

医学诊断

生物组织、细胞及代谢产物（如呼出气体、血液成分）的光谱特性与疾病密切相关，光梳的高分辨率和宽光谱能力可捕捉这些细微变化，实现疾病的早期诊断。

 

关于频准

 

上海频准激光科技股份有限公司成立于2017年，是国家高新技术企业和国家级专精特新小巨人企业。于上海市嘉定区徐行镇张江科技示范园，现有员工四百多人，其中博士十余名，高级工程师多名。频准激光致力于高端单频光纤激光器的研发与生产，为国家重大项目提供了国际一流的激光技术和产品。

 

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