实验室马龙生教授课题组长期坚持在光学分频技术研究方面实现新突破

工作在无线电波段的数字频率分频器是一项成熟的技术，已广泛应用在科学研究和日常生活中。由于光波频率比无线电波频率高5-6个数量级，建立光学分频器是一项挑战性很强的研究课题。早在20世纪60年代激光诞生不久，科学家就探索采用频率链的方法研制光学分频器，他们使用光学倍频、差频、混频等一系列非线性光学手段建立不同光波之间的频率联系。经过二十余年的研究，终于用光学分频器测量了分子稳频激光的频率，在此基础上确定了光的速度为299792458 m/s和建立了长度单位“米”的定义，这两项成果奠定了精密测量和精确导航的基础。由于基于光学频率链的光学分频器十分复杂、庞大，且只能对一个特定波长的光进行分频，而分频精度只在10-10，不能满足许多精密测量的需求，所以科学家从80年代就放弃了用光学频率链建立光学分频器的技术路线，开始寻找其他新方法。

直到90年代末，光学频率梳的诞生为研制光学分频器铺平了新的道路。2003年，实验室马龙生课题组联合美国标准与技术国家实验室（NIST）和国际计量局(BIPM)开展了四台光学频率梳的国际比对研究，以10-19的不确定度实现了光学分频，取得了令人瞩目的成果，文章发表在Science, 303, 1843 (2004)。国际著名研究机构评价：“以前所未有的精度实现了光学分频和合成”、“为发展下一代基于光学频率的原子钟铺平了道路”。2005年诺贝尔物理奖公告引用了该数据，马龙生教授也应邀参加了当年的诺贝尔奖颁奖大会，诺贝尔奖得主在颁奖大会上的演讲报告和他们发表的 Nobel Lecture 文章都重点介绍了该成果。相关研究成果同时获得了2006年国家自然科学二等奖，马龙生教授由于在光场时频域精密控制的杰出贡献获得了2010年度国际频率精密控制大会（IEEE-UFFC-IFCS）颁发的国际Rabi奖。Rabi奖是国际时频控制研究领域的顶级奖项，从1983设立至今，已有三十多位获奖，其中4位在获得Rabi奖后又获得了诺贝尔物理奖。

2003年之后，马龙生课题组继续坚持光场时频域精密控制研究，陆续研发了多项光梳关键技术，并组成了以青年教师蒋燕义等为主要骨干的老中青相结合的研究团队。2016年他们在集成了十余年积累的多项自主研发技术的基础上实现了任意数的光学分频，且光学分频器的分频数可精密控制，分频不确定度达到了10-21，长期的坚持又一次取得了新的突破。该研究成果于近日发表在National Science Review 3, 394（2016）上，实验室为唯一研究单位，研究生姚远为第一作者、蒋燕义与马龙生为通讯作者。该论文介绍了基于光梳的高精度光学分频器的原理和性能测试结果。测试结果显示，该光学分频器在分频过程中产生的误差比当今最好光钟的精度还小三个数量级，可满足当今最好光钟应用的需要，在分频过程中又不会降低光钟的性能。目前科学家正在挑战10-19-10-20不确定度的光钟，可以期待10-21精度的光学分频器将在光钟应用和精密测量中发挥重要的作用。同期评论文章以“unprecedented 21 digits”和“milestone achievement”来评价该工作。

图 光学分频器的基本功能图

高精度光学分频器是开展光钟应用研究不可缺少的关键技术。近十年光钟研究取得了飞速发展，它的不确定度已达到10-18，超越了微波原子钟2个数量级，并向更高的精度推进。如此高精度的光钟开辟了许多重要的应用领域：如通过测量不同光钟之间的频率比值，可探索某些物理常数是否随时间而变化；在测地学中，将光钟频率精确地转换到光纤通讯波段，通过测量由光纤连接的、位于不同地点的光钟频率的相对变化可以研究重力势的变化，从而反映地貌的变化情况；在计量学中，国际时间单位“秒”有望由光钟重新定义，为此需要在不同光钟之间进行频率比对研究，以证明光钟频率有更好的精度和复现性；而在原子分子光谱学中，需要将光钟频率精密转换到其它光频谱范围，从而提高精密光谱的测量精度。这些应用都需要在不同光学频率之间实现频率转换，包括将光钟频率精确地转换到其它光学波段或光纤通讯波段，并且在频率转换过程中需要精确地知道输入与输出之间的光学频率比值。为此，马龙生课题组又利用高精度光学分频器建立了低噪声光学频率合成器。该光学频率合成器能根据研究需要，在700-990 nm范围内任意需要的频率处高精度地输出一个线宽为1 Hz的高相干激光，为光钟的上述应用研究以及精密光谱等研究提供了必要的光源。相关成果发表在Applied Physics Letter, 109,131102 (2016)上，被编辑选为亮点文章。审稿人高度评价：“该装置是原子和光学物理学家梦想已久的，现在终于实现了”。

来源：华东师范大学