新型OPO设备提升光谱分辨率！

【研究背景】

高分辨率激光光谱学是可部署量子技术面临的一项重要挑战，尤其是在原子和固态量子系统中狭窄跃迁的特定波长范围内。近年来，激光技术的进步使得其在传感、计时、网络和计算等领域的应用变得愈加广泛。与传统激光材料相比，新的激光技术如电光频率梳与Kerr非线性光子学的结合具有高光谱和时间分辨率等优点。然而，这些技术在实现高效且灵活的波长转换方面仍面临诸多挑战。

近日，来自美国国家标准与技术研究院Kartik Srinivasan科研课题组的研究团队在高分辨率光谱学领域取得了重要进展。该团队设计并实现了一种基于电光频率梳和Kerr非线性光子学的光谱技术，成功展示了其在量子技术中的广泛应用潜力。通过将电光频率梳作为光泵源，该方法能够有效生成信号和闲置光频率梳，且其光谱翻译过程中几乎没有效率损失。

利用这一新方法，研究人员能够在589到1150纳米的范围内实现近百万个频率梳泵齿的波长翻译，充分满足了高分辨率光谱学的需求。此外，研究团队还展示了该方法在量子系统中的应用，通过亚道普勒光谱学成功获取了铯原子蒸汽的超精细跃迁信息，实现了高达100 kHz的光谱分辨率和0.1毫秒的测量时间。这些成果表明，该技术在量子传感、光通信和原子钟等领域具有广阔的应用前景。

【仪器亮点】

本文通过非线性耦合模方程（CMEs）的数值积分原理，具体来说，应用电光调制技术，首次研发了一种用于生成光频梳的仪器。这种仪器能够有效地表征光频梳的特性，并揭示了其在原子光谱中的均匀谱噪声特性。

本文针对光频梳的生成现象，通过电光调制的线性频率扫频分析，得到了平坦且频率可调的光频梳，从而挖掘了其在高精度光谱测量中的应用潜力。为了实现这一目标，研究中设计了一种电光调制器（EOM），利用外腔激光二极管作为泵浦光源，并将其输出经过线性频率扫频处理。这种方法在理论和实验上都得到了验证，显示出所生成的光频梳具有均匀的信噪比，从而提高了原子光谱的测量精度，消除了对加权谱拟合的需求。

在此基础上，本文通过一系列的表征手段，包括光频梳的光谱分析和噪声特性测量，重点研究了由高阶色散工程优化的光参量振荡器（OPO）设备的性能。该设备的设计和制备采用了纳米光刻技术，确保了所生成的光频梳在不同波长下均表现出优异的线宽特性。此外，通过优化微环的几何参数，实现了不同模态之间的相位匹配，从而提高了设备的输出效率和灵活性。

最终，研究结果表明，通过这些先进的表征手段和发现，所研发的仪器不仅为光频梳的生成提供了新的方法论，还为高精度的亚杜普勒原子光谱学研究开辟了新的途径。该仪器的开发和应用标志着在非线性光学领域的重要进展，为未来的量子光学实验和应用奠定了基础，展现出其在基础科学研究和实际应用中的巨大潜力。

通过克尔光学参量振荡optical parametric oscillation，OPO超高分辨率光学频率梳的光谱转换

参考文献：Long, D.A., Stone, J.R., Sun, Y. et al. Sub-Doppler spectroscopy of quantum systems through nanophotonic spectral translation of electro-optic light. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01532-w