基于双光频梳结构的超快时域干涉测量系统的研究

This project mainly focuses on the dual comb structure with small difference frequency, and its applications in the coherent tomography system. Study of the optical frequency comb (OFC) stems from the pursuit of the temporal accuracy, which is one of the most basic physical quantities. More specifically, the temporal pulses and spectral lines of the OFC were strictly equally spaced, as an accurate temporal or spectral ruler, and it will become the key technology for the temporal-frequency measurement with high accuracy. The dual comb structure proposed in this project is analogous to the vernier caliper with slightly different scales in the temporal domain, and capable of enlarging the minimum temporal delay, and realizing the high temporal accuracy under limited bandwidth. In the frequency domain, the minimum frequency difference between spectral lines of the dual comb can be converted to the radio frequency range through the beating process, and realizes the ultrafast spectroscopy. Leveraging the features of the dual comb structure in the temporal and frequency domain, this project will mainly focus on its applications in the coherent tomography measurement. Moreover, explore more applications including the observation of some micro/nano manufacturing process and bio-samples, based on this coherent tomography system.

本项目主要研究具有微小差频的双光频梳结构，及其在相干断层扫描测量方面的应用。光频梳的研究源于对时间这一最基本物理量的精度追求，具体表现为时域脉冲和频域光谱严格的等间距特性，像一把精确的时频刻度尺，这将是研究高精度时频测量系统的关键技术。本项目研究的差频双光频梳结构，在时域上类似于刻度间隔有微小差异的“游标卡尺”，可将微小的延时量倍增到时域脉冲间隔，利用有限带宽的探测器实现高精度的时域分辨。在频域上，两路光频梳微小的频率差将通过拍频的方式转换到射频范围内，射频谱强度则对应其不同的光谱强度，实现快速的光谱分析。利用双光频梳结构的时频特性，本项目将重点研究该结构在相干断层扫描测量方面的应用，包括时域和频域两个方面。结合对相干断层扫描系统的研究，进一步探索本项目方案在微纳芯片结构测量、生物样品观测等方面的实际应用。

光频梳的研究源于对时间这一最基本物理量的精度追求，具体表现为时域脉冲和频域光谱严格的等间距特性，像一把精确的时频刻度尺，这将是研究高精度时频测量系统的关键技术。本项目围绕差频双光频梳结构，研究其时域放大特性和频域压缩特性，具体研究成果包括如下内容：第一，光频梳技术的理论创新，通过对光纤和微腔光频梳的孤子动态过程观测，为光频梳的产生机理提供了理论基础；通过对光纤锁模激光器的重复频率和载波漂移频率进行锁定，实现真正意义上的双光频梳系统。第二，相干断层扫描技术的方案创新，通过光学的高阶色散补偿技术及点扩散函数操控技术，分别实现无需校准的大深度成像以及单层反射结构的超分辨成像。第三，基于双光频梳结构的相干断层扫描成像，通过相干探测技术实现大带宽信号的全光场信息的恢复，并进一步利用双光频梳的时域扫描特性，实现低带宽大范围的相干断层扫描成像。第四，进一步拓展双光频梳技术的应用方向，在频谱测量方面，通过异步光采样技术或双光梳光谱仪分辨实现1pm的光谱分辨率，或者200MHz的射频谱分辨率；在保证成像精度的前提下，将超快光谱显微成像的探测带宽降低至320kHz；将双光频梳的异步光采样技术与时域色散拉伸技术相结合，实现对500fs时间间隔信号的超快光谱分析及器件表征。在该项目资助下，发表与本课题相关的SCI论文14篇和国际会议论文16篇，其中在APL Photonics发表1篇，在Optics Letters发表5篇，在Optics Express发表7篇，在IEEE Photonics Technology Letters发表1篇，申请中国发明专利2项，在本领域顶级国际会议CLEO上发表论文11篇。培养博士生3名，培养硕士生3名，项目结题成果整体上达到预期。