近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉駿秋團(tuán)隊(duì)與合作者在集成光學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，成功研制出一種新型可見光矢量光譜分析儀。該儀器首次實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光波段集成光學(xué)器件的高精度、寬帶寬、矢量化光譜測(cè)量。相關(guān)成果以“A hyperfine-transition-referenced vector spectrum analyzer for visible-light integrated photonics”為題發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。
可見光作為人類視覺感知的主要波段，自文明起源以來一直在科學(xué)探索和技術(shù)發(fā)展中扮演著核心角色。在當(dāng)前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）、生物傳感、原子分子物理等前沿領(lǐng)域，對(duì)可見光的精密操控與測(cè)量提出了前所未有的高要求。特別是在光學(xué)原子鐘研究中，許多關(guān)鍵躍遷頻率位于可見光范圍，對(duì)這些頻率的高精度測(cè)量不僅有助于推動(dòng)基礎(chǔ)物理研究的突破，也正深刻變革現(xiàn)代定位與導(dǎo)航系統(tǒng)。
圖1：可見光到近紅外波段的集成光學(xué)應(yīng)用
近年來，隨著可見光集成光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，具備微型化、輕量化和低功耗優(yōu)勢(shì)的芯片級(jí)光學(xué)原子鐘成為研究熱點(diǎn)，有望推動(dòng)高精度頻率計(jì)量技術(shù)在更廣泛場(chǎng)景中的落地應(yīng)用。然而，實(shí)現(xiàn)對(duì)這類芯片級(jí)器件的高效表征仍面臨巨大挑戰(zhàn)，其中最大的瓶頸在于缺乏兼顧寬光譜帶寬與高頻譜分辨率的測(cè)量技術(shù)與儀器。
針對(duì)這一關(guān)鍵難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)并研制出新型矢量光譜分析儀，具備518–541nm及766–795 nm的寬光譜覆蓋范圍，頻率分辨率達(dá)到161kHz。該系統(tǒng)基于外腔半導(dǎo)體激光器，結(jié)合寬帶啁啾周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)倍頻，實(shí)現(xiàn)高功率、窄線寬、無(wú)跳模的可見光連續(xù)可調(diào)諧激光輸出。同時(shí)，系統(tǒng)引入堿金屬原子和碘分子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)作為頻率基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了MHz級(jí)別的高精度頻率標(biāo)定。
該儀器不僅填補(bǔ)了可見光集成器件在寬帶矢量光譜測(cè)量方面的技術(shù)空白，還率先實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵應(yīng)用。例如，研究團(tuán)隊(duì)借助該系統(tǒng)首次完成了從近紅外到可見光的微腔跨倍頻程色散特性測(cè)量，精確表征了色散波的位置，對(duì)片上跨倍頻程光頻梳、超連續(xù)譜和非線性頻率轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中關(guān)鍵的相位匹配設(shè)計(jì)具有重要意義。此外，該儀器還可解析傳統(tǒng)光譜儀難以分辨的低重復(fù)頻率光頻梳結(jié)構(gòu)，其頻率分辨率為3MHz，能夠滿足高精度光通信、微波頻率合成和激光穩(wěn)頻等先進(jìn)系統(tǒng)的測(cè)量需求。
圖2：跨倍頻程微腔色散測(cè)量
本項(xiàng)研究成果不僅展示了目前在可見光波段最先進(jìn)的矢量光譜測(cè)量能力，也為芯片級(jí)光學(xué)原子鐘的實(shí)現(xiàn)提供了關(guān)鍵支撐。在全球?qū)Ω呔取⒌凸?、便于部署的時(shí)間頻率基準(zhǔn)需求日益增長(zhǎng)的背景下，特別是在空間導(dǎo)航、地球測(cè)繪、量子精密測(cè)量等戰(zhàn)略領(lǐng)域，基于光芯片的原子鐘方案正受到廣泛關(guān)注。該成果提供了構(gòu)建此類系統(tǒng)所需的“測(cè)量之眼”，有望顯著提升集成光學(xué)器件的設(shè)計(jì)效率、測(cè)試可靠性與工程化水平。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系博士生石寶奇、濟(jì)南量子技術(shù)研究院副研究員鄭名揚(yáng)為論文的共同第一作者。合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室劉駿秋研究員為論文的通訊作者。主要合作者還包括中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張強(qiáng)教授、王安廷副教授，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所梁偉研究員。該工作得到了科技部2030、基金委、廣東省和深圳市的大力支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61970-0
本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-6315-0.html中國(guó)科大研制可見光波段矢量光譜分析儀
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