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基于光梳的高精度光學分頻器的原理和性能測試結果  光學分頻器的基本功能圖  數字分頻器已廣泛地應用在日常生活、高科技和科學研究中。它能夠對輸入信號在音頻至微波波段的頻率（fin）進行除法運算，使輸出信號的頻率精確為fin/R，并高保真地將輸入信號的相位、頻率穩(wěn)定性和精度都傳遞給輸出信號。 自激光誕生以來，科學家一直在探索如何在光學波段建成同樣的分頻器，即光學分頻器。在很長一段時間內，人們只能利用非線性效應實現特定比值的光學頻率轉換，如光學倍頻能實現fout = fin/0.5的光學頻率轉換，但還不能在光學波段實現任意數的分頻。光學頻率梳的發(fā)明為建立光學分頻器鋪平了道路。 2003年華東師范大學（ECNU）精密光譜科學與技術國家重點實驗室聯合美國標準技術國家實驗室（NIST）和國際計量局（BIPM）在美國開展了四臺光學頻率梳的國際比對研究，首次證明用光學頻率梳對光學頻率的分頻不確定度可達到10-19（Long-Sheng Ma, et al. Science 2004; 303: 1843）。經過12年的努力，ECNU的研究小組攻克多項關鍵技術，并巧妙地將它們組合起來，建成了一種新型的光學分頻器。該光學分頻器能對輸入光的頻率fin進行任意數R的分頻，使輸出光的頻率精確為fin/R，其功能與微波數字分頻器一樣。由于采用了自參考頻率基準技術，它不再需要精度遠低于光鐘的微波頻率基準（如氫原子鐘），也不必通過精確測量輸入和輸出光的頻率來確定它們的分頻數，因此它具有更高的分頻精度。通過與非線性光學倍頻器（分頻數嚴格等于0.5的光學分頻器）進行比對測量，即比對兩種工作原理完全不同的分頻器，證明該光學分頻器的分頻不確定度可達到10-21。并且，該光學分頻器能實現多個通道同時分頻，可同時測量多個不同光學頻率之間的比值。 光學分頻器是開展原子光鐘應用研究不可缺少的關鍵技術。近十年原子光鐘研究取得了令人矚目的研究成果，它的不確定度已達到10-18，超越了微波原子鐘，并向更高的精度推進。如此高精度的原子光鐘開辟了許多重要的應用領域：如通過測量不同光鐘之間的頻率比值，可探索精細結構常數是否隨時間而變化；在測地學中，將光鐘頻率精確地轉換到光纖通訊波段，通過測量由光纖連接的、位于不同地點的光鐘頻率的相對變化可以研究重力勢的變化，從而反映地貌的變化情況；在計量學中，時間基本單位“秒”有望由光鐘重新定義，為此需要在不同光鐘之間進行頻率比對研究，以證明光鐘頻率有更好的精度和復現性；而在原子分子光譜學中，需要將光鐘頻率精密轉換到其他光頻譜范圍，從而提高精密光譜的測量精度。這些應用都需要在不同光鐘之間實現光學頻率轉換，包括將光鐘頻率精確地轉換到其他光學波段或光纖通訊波段，且在頻率轉換過程中精確地知道輸入與輸出光學頻率的比值。 《國家科學評論》最近發(fā)表的由華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室的姚遠等5位作者共同撰寫的“分頻不確定度達到10-21的光學分頻器”研究論文（http://nsr.oxfordjournals.org/content/early/2016/10/01/nsr.nww063），介紹了基于光梳的高精度光學分頻器的原理和性能測試結果。測量結果顯示，該光學分頻器在分頻過程中產生的誤差比當今最好光鐘的精度還小三個數量級，因而在分頻過程中不會降低光鐘的性能�？梢云诖@個前所未有的分頻精度將在光鐘應用及精密測量中發(fā)揮重要的作用。（論文作者：姚遠等 期刊：《國家科學評論》 ） |
