شانه فرکانس

در اپتیک، شانه فرکانس یک منبع لیزری است که طیف آن از یک سری خطوط فرکانس گسسته و با فاصله مساوی تشکیل شده‌است. شانه‌های فرکانس را می‌توان با تعدادی از سازوکارها تولیدکرد، از جمله مدولاسیون دوره ای (در دامنه و/یا فاز) یک لیزر موج پیوسته، مخلوط‌سازی چهارموج در رسانه‌های غیرخطی، یا پایدارسازی قطار پالس تولیدشده توسط لیزر مُد-قفل‌شده. کارهای زیادی به این سازوکار آخر اختصاص داده‌شده‌است، که در اواخر قرن بیست و یکم توسعه یافت و درنهایت منجر به تقسیم نیمی از جایزه نوبل در فیزیک توسط جان ال هال و تئودور دبلیو هانش در سال ۲۰۰۵ شد.^[۱]^[۲]^[۳]

نمایش حوزه فرکانس یک شانه فرکانس کامل یک سری توابع دلتا است که بر اساس فاصله آنها قرار گرفته‌است

f_{n}=f_{0}+n\,f_{r},

دراینجا $n$ یک عدد صحیح است، $f_{r}$ فاصله دندانه شانه (برابر با سرعت تکرار لیزر مد-قفل‌شده یا، به‌طور متناوب، فرکانس مدولاسیون) است. $f_{0}$ فرکانس آفست حامل است که کمتر از $f_{r}$ است.

کاربردها ویرایش

طیف نور از شانه‌های فرکانس دو لیزری نصب شده در جستجوگر سیاره سرعت شعاعی با دقت بالا.^[۴]

یک شانه فرکانس امکان پیوند مستقیم از استانداردهای فرکانس رادیویی به فرکانس‌های نوری را فراهم می‌کند. استانداردهای فرکانس فعلی مانند ساعت‌های اتمی در ناحیه ریزموج طیف عمل‌می‌کنند و شانه فرکانس دقت چنین ساعت‌هایی را به بخش نوری طیف الکترومغناطیسی می‌آورد. یک حلقه بازخورد الکترونیکی ساده می‌تواند نرخ تکرار را به یک استاندارد فرکانس قفل کند.

دو کاربرد متمایز از این فنون وجود دارد. یکی ساعت نوری است که در آن یک فرکانس نوری با یک دندانه شانه روی یک فتودیود همپوشانی دارد و یک فرکانس رادیویی با سیگنال ضربانی، نرخ تکرار و فرکانس-سی‌ئی‌او (آفست پوش-حامل) مقایسه می‌شود. کاربردهای فن شانه فرکانس شامل اندازه‌شناسی نوری، تولید زنجیره فرکانس، ساعت‌های اتمی نوری، طیف‌سنجی با دقت بالا و فناوری GPS دقیق‌تر است.^[۵]

تصویری که نشان می‌دهد چگونه گازهای آشکارشده در میدان با استفاده از یک طیف‌سنج لیزری شانه‌ای دوفرکانسی سیار شناسایی می‌شوند.

کاربردهای دیگری وجود دارند که نیازی به قفل کردن فرکانس آفست پوش-حامل روی سیگنال فرکانس رادیویی ندارند.^[۶] اینها شامل مخابرات نوری،^[۷] ترکیب‌سازی شکل‌موج‌های دلخواه نوری،^[۸] طیف‌بینی (به‌ویژه طیف‌بینی دو-شانه‌ای)^[۹] یا فوتونیک فرکانس-رادیویی است.^[۱۰]

پیشینه ویرایش

تئودور دبلیو هانش و جان ال هال به دلیل مشارکت در توسعه طیف‌بینی دقیق مبتنی‌بر لیزر، از جمله فنّ شانه فرکانس نوری، نیمی از جایزه نوبل فیزیک ۲۰۰۵ را به اشتراک گذاشتند. نیمی دیگر از جایزه به روی گلابر تعلق گرفت.

همچنین درسال ۲۰۰۵، فنّ شانه فمتوثانیه تا محدوده فرابنفش فرین گسترش یافت و اندازه‌گیری فرکانس را در آن ناحیه از طیف ممکن کرد.^[۱۱]^[۱۲]^[۱۳]^[۱۴]

جستارهای وابسته ویرایش

منابع ویرایش

↑ Hall, John L. (2006). "Nobel Lecture: Defining and measuring optical frequencies". Reviews of Modern Physics. 78 (4): 1279–1295. Bibcode:2006RvMP...78.1279H. doi:10.1103/revmodphys.78.1279. Archived from the original on 21 July 2018. Retrieved 20 May 2023.
↑ Hänsch, Theodor W. (2006). "Nobel Lecture: Passion for precision". Reviews of Modern Physics. 78 (4): 1297–1309. Bibcode:2006RvMP...78.1297H. CiteSeerX 10.1.1.208.7371. doi:10.1103/revmodphys.78.1297.
↑ "The Nobel Prize in Physics 2005". www.nobelprize.org. Retrieved 2017-11-16.
↑ "HARPS Laser Frequency Comb Commissioned". European Southern Observatory. 22 May 2015.
↑ Optical frequency comb for dimensional metrology, atomic and molecular spectroscopy, and precise time keeping بایگانی‌شده در ۲۰۱۳-۰۶-۲۷ توسط Wayback Machine
↑ Newbury, Nathan R. (2011). "Searching for applications with a fine-tooth comb". Nature Photonics. 5 (4): 186–188. Bibcode:2011NaPho...5..186N. doi:10.1038/nphoton.2011.38.
↑ Temprana, E.; Myslivets, E.; Kuo, B. P. -P.; Liu, L.; Ataie, V.; Alic, N.; Radic, S. (2015-06-26). "Overcoming Kerr-induced capacity limit in optical fiber transmission". Science (به انگلیسی). 348 (6242): 1445–1448. Bibcode:2015Sci...348.1445T. doi:10.1126/science.aab1781. ISSN 0036-8075. PMID 26113716.
↑ Cundiff, Steven T.; Weiner, Andrew M. (2010). "Optical arbitrary waveform generation". Nature Photonics. 4 (11): 760–766. Bibcode:2010NaPho...4..760C. doi:10.1038/nphoton.2010.196.
↑ Coddington, Ian; Newbury, Nathan; Swann, William (2016-04-20). "Dual-comb spectroscopy". Optica (به انگلیسی). 3 (4): 414–426. Bibcode:2016Optic...3..414C. doi:10.1364/OPTICA.3.000414. ISSN 2334-2536. PMC 8201420. PMID 34131580.
↑ Torres-Company, Victor; Weiner, Andrew M. (May 2017). "Optical frequency comb technology for ultra-broadband radio-frequency photonics". Laser & Photonics Reviews. 8 (3): 368–393. arXiv:1403.2776. doi:10.1002/lpor.201300126.
↑ Jones, R. Jason; Moll, Kevin D.; Thorpe, Michael J.; Ye, Jun (20 May 2005), "Phase-Coherent Frequency Combs in the Vacuum Ultraviolet via High-Harmonic Generation inside a Femtosecond Enhancement Cavity" (PDF), Physical Review Letters, 94 (19): 193201, Bibcode:2005PhRvL..94s3201J, doi:10.1103/PhysRevLett.94.193201, PMID 16090171, archived from the original (PDF) on 12 August 2014, retrieved 2014-07-31
↑ Gohle, Christoph; Udem, Thomas; Herrmann, Maximilian; Rauschenberger, Jens; Holzwarth, Ronald; Schuessler, Hans A.; Krausz, Ferenc; Hänsch, Theodor W. (2005), "A frequency comb in the extreme ultraviolet", Nature, 436 (14 July 2005): 234–237, Bibcode:2005Natur.436..234G, doi:10.1038/nature03851, PMID 16015324
↑ Kandula, Dominik Z.; Gohle, Christoph; Pinkert, Tjeerd J.; Ubachs, Wim; Eikema, Kjeld S.E. (2 August 2010). "Extreme ultraviolet frequency comb metrology". Physical Review Letters. 105 (6): 063001. arXiv:1004.5110. Bibcode:2010PhRvL.105f3001K. doi:10.1103/PhysRevLett.105.063001. PMID 20867977.
↑ Cingöz, Arman; Yost, Dylan C.; Allison, Thomas K.; Ruehl, Axel; Fermann, Martin E.; Hartl, Ingmar; Ye, Jun (2 February 2012), "Direct frequency comb spectroscopy in the extreme ultraviolet", Nature, 482 (7383): 68–71, arXiv:1109.1871, Bibcode:2012Natur.482...68C, doi:10.1038/nature10711, PMID 22297971

بیشتر خواندن ویرایش

Nathalie Picqué; Theodor Hänsch (2019). "Frequency comb spectroscopy". Nature Photonics. 13 (3): 146–157. arXiv:1902.11249. Bibcode:2019NaPho..13..146P. doi:10.1038/s41566-018-0347-5. S2CID 119189885.
Steven T. Cundiff; Jun Ye (2003). "Colloquium: Femtosecond optical frequency combs". Reviews of Modern Physics. 75 (1): 325. Bibcode:2003RvMP...75..325C. CiteSeerX 10.1.1.152.1154. doi:10.1103/RevModPhys.75.325.
John L Hall & Theodor W Hänsch (2004). "History of optical comb development" (PDF). In Jun Ye, Steven T Cundiff (ed.). Femtosecond optical frequency comb. Springer. ISBN 978-0-387-23790-9.
Andrew M. Weiner (2009). Ultrafast Optics. Wiley. ISBN 978-0-471-41539-8.
Nobel prize for Physics (2005) Press Release

پیوند به بیرون ویرایش

کنترل آتوثانیه‌ای شکل‌موج‌های نوری
شانه لیزری فمتوثانیه
شانه فرکانس نوری برای سنجه‌شناسی ابعادی، طیف‌بینی اتمی و مولکولی و نگهداری دقیق زمان
خطکش‌های نوری: استفاده از لیزر برای اندازه‌گیری فاصله و زمان اثر استیون کندیف در مجله علمی آمریکایی
برتراشه، شانه فرکانس قابل‌تنظیم الکترونیکی، مقاله لیا باروز | ۱۸ مارس ۲۰۱۹
توضیح شانه‌های فرکانس نوری توسط NIST

[1] Hall, John L. (2006). "Nobel Lecture: Defining and measuring optical frequencies". Reviews of Modern Physics. 78 (4): 1279–1295. Bibcode:2006RvMP...78.1279H. doi:10.1103/revmodphys.78.1279. Archived from the original on 21 July 2018. Retrieved 20 May 2023.

[2] Hänsch, Theodor W. (2006). "Nobel Lecture: Passion for precision". Reviews of Modern Physics. 78 (4): 1297–1309. Bibcode:2006RvMP...78.1297H. CiteSeerX 10.1.1.208.7371. doi:10.1103/revmodphys.78.1297.

[3] "The Nobel Prize in Physics 2005". www.nobelprize.org. Retrieved 2017-11-16.

[4] "HARPS Laser Frequency Comb Commissioned". European Southern Observatory. 22 May 2015.

[5] Optical frequency comb for dimensional metrology, atomic and molecular spectroscopy, and precise time keeping بایگانی‌شده در ۲۰۱۳-۰۶-۲۷ توسط Wayback Machine

[6] Newbury, Nathan R. (2011). "Searching for applications with a fine-tooth comb". Nature Photonics. 5 (4): 186–188. Bibcode:2011NaPho...5..186N. doi:10.1038/nphoton.2011.38.

[7] Temprana, E.; Myslivets, E.; Kuo, B. P. -P.; Liu, L.; Ataie, V.; Alic, N.; Radic, S. (2015-06-26). "Overcoming Kerr-induced capacity limit in optical fiber transmission". Science (به انگلیسی). 348 (6242): 1445–1448. Bibcode:2015Sci...348.1445T. doi:10.1126/science.aab1781. ISSN 0036-8075. PMID 26113716.

[8] Cundiff, Steven T.; Weiner, Andrew M. (2010). "Optical arbitrary waveform generation". Nature Photonics. 4 (11): 760–766. Bibcode:2010NaPho...4..760C. doi:10.1038/nphoton.2010.196.

[9] Coddington, Ian; Newbury, Nathan; Swann, William (2016-04-20). "Dual-comb spectroscopy". Optica (به انگلیسی). 3 (4): 414–426. Bibcode:2016Optic...3..414C. doi:10.1364/OPTICA.3.000414. ISSN 2334-2536. PMC 8201420. PMID 34131580.

[:0-10] Torres-Company, Victor; Weiner, Andrew M. (May 2017). "Optical frequency comb technology for ultra-broadband radio-frequency photonics". Laser & Photonics Reviews. 8 (3): 368–393. arXiv:1403.2776. doi:10.1002/lpor.201300126.

[11] Jones, R. Jason; Moll, Kevin D.; Thorpe, Michael J.; Ye, Jun (20 May 2005), "Phase-Coherent Frequency Combs in the Vacuum Ultraviolet via High-Harmonic Generation inside a Femtosecond Enhancement Cavity" (PDF), Physical Review Letters, 94 (19): 193201, Bibcode:2005PhRvL..94s3201J, doi:10.1103/PhysRevLett.94.193201, PMID 16090171, archived from the original (PDF) on 12 August 2014, retrieved 2014-07-31

[12] Gohle, Christoph; Udem, Thomas; Herrmann, Maximilian; Rauschenberger, Jens; Holzwarth, Ronald; Schuessler, Hans A.; Krausz, Ferenc; Hänsch, Theodor W. (2005), "A frequency comb in the extreme ultraviolet", Nature, 436 (14 July 2005): 234–237, Bibcode:2005Natur.436..234G, doi:10.1038/nature03851, PMID 16015324

[13] Kandula, Dominik Z.; Gohle, Christoph; Pinkert, Tjeerd J.; Ubachs, Wim; Eikema, Kjeld S.E. (2 August 2010). "Extreme ultraviolet frequency comb metrology". Physical Review Letters. 105 (6): 063001. arXiv:1004.5110. Bibcode:2010PhRvL.105f3001K. doi:10.1103/PhysRevLett.105.063001. PMID 20867977.

[14] Cingöz, Arman; Yost, Dylan C.; Allison, Thomas K.; Ruehl, Axel; Fermann, Martin E.; Hartl, Ingmar; Ye, Jun (2 February 2012), "Direct frequency comb spectroscopy in the extreme ultraviolet", Nature, 482 (7383): 68–71, arXiv:1109.1871, Bibcode:2012Natur.482...68C, doi:10.1038/nature10711, PMID 22297971

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]

[۱۰]

[۱۱]

[۱۲]

[۱۳]

[۱۴]