張志剛

（北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)和新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）

0 引言

自從激光頻率梳被提出作為新型天文光譜儀定標(biāo)工具——天文光梳，科學(xué)家們就期盼我國(guó)天文臺(tái)能用上中國(guó)自己研發(fā)的這種新型光譜定標(biāo)儀。時(shí)間過(guò)去了十多年，真正能用的天文光梳在哪兒？本文將介紹天文光梳及其技術(shù)現(xiàn)狀，分析其技術(shù)難點(diǎn)及可見(jiàn)光天文光梳所面臨的挑戰(zhàn)，最后對(duì)天文光梳技術(shù)給予展望。

1 天文光梳

天文光梳（Astrocomb）是天文光譜和定標(biāo)頻率梳的統(tǒng)稱(chēng)。天文光譜儀沒(méi)有刻度，需要對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)。高精度光譜定標(biāo)是利用某種標(biāo)準(zhǔn)模板將光譜的譜線(xiàn)在成像器件CCD上的位置信息“翻譯”為其在頻率或波長(zhǎng)空間的信息；模板的精度、穩(wěn)定性越好，光譜定標(biāo)的精度越高。理想的模板需具有大量、穩(wěn)定、等間隔、可分辨的譜線(xiàn)位置作為定標(biāo)用的“刻度齒”，也稱(chēng)為“梳齒”。

在系外行星及星系宇宙學(xué)探測(cè)中［1］，光譜定標(biāo)通常用“視向速度”（Radial Velocity，RV），即恒星對(duì)觀察者的速度來(lái)表示，單位為m/s，由譜線(xiàn)的多普勒頻移轉(zhuǎn)換而來(lái)。

在系外行星探測(cè)中，行星圍繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)使恒星視向速度改變，導(dǎo)致恒星光譜的多普勒頻移。自諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者M(jìn).Mayor等人于1995年用RV法發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外行星［2］以來(lái)，太陽(yáng)系外行星搜尋成為天體物理學(xué)的前沿課題之一。搜尋系外行星的方法除了使用RV法，還可使用凌星法（Transit），用天文望遠(yuǎn)鏡可發(fā)現(xiàn)類(lèi)地行星的候選體。但凌星法只能測(cè)量行星的軌道周期和大小，不能得到準(zhǔn)確的行星質(zhì)量，采用RV法才能得到準(zhǔn)確的行星質(zhì)量。行星質(zhì)量除了判斷行星的物質(zhì)構(gòu)成，還將揭示天體的動(dòng)力學(xué)信息、形成機(jī)制以及演化軌跡等。

目前為止，發(fā)現(xiàn)的5000多顆系外行星中，大多數(shù)質(zhì)量在海王星（17倍地球質(zhì)量）以上?？茖W(xué)家們一直在探索發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外宜居的類(lèi)地行星，這對(duì)光譜定標(biāo)精度提出了更高的要求。地球?qū)μ?yáng)的擾動(dòng)引起的太陽(yáng)RV的最大變化是9 cm/s。這個(gè)RV非常小，恒星的視向速度與光速之比），相對(duì)于500 nm波長(zhǎng)的光的頻移僅為200 kHz，在光譜儀感光器件CCD上的移動(dòng)約為一個(gè)原子的尺度。

進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)，可以測(cè)得200 kHz左右的頻移，用拍頻法測(cè)量光頻，原則上可以達(dá)到0.5 Hz的分辨率，對(duì)應(yīng)的RV小于200 nm/s。實(shí)際上恒星發(fā)光是連續(xù)譜，用于測(cè)量的標(biāo)記主要是金屬元素的吸收譜線(xiàn)，這些吸收譜線(xiàn)在光譜儀中表現(xiàn)為暗斑且較寬，不能用拍頻法測(cè)量，因此只能測(cè)量這些譜線(xiàn)的位置變化。

每個(gè)吸收譜線(xiàn)的暗斑占據(jù)幾個(gè)感光像素，而每個(gè)定標(biāo)譜線(xiàn)在光譜儀中表現(xiàn)為一個(gè)空間衍射亮斑，也占據(jù)幾個(gè)感光像素，每個(gè)定標(biāo)譜線(xiàn)的位置定義為若干像素?cái)M合函數(shù)的重心。天文光譜儀CCD記錄的Echelle光柵衍射的某一級(jí)定標(biāo)譜線(xiàn)如圖1所示，圖中黑色點(diǎn)代表像素點(diǎn)，每根定標(biāo)譜線(xiàn)占據(jù)幾個(gè)像素，通過(guò)對(duì)像素的擬合確定每根定標(biāo)譜線(xiàn)的“重心”波長(zhǎng)。測(cè)量吸收譜線(xiàn)的多普勒頻移通過(guò)數(shù)千甚至上萬(wàn)根譜線(xiàn)的互相關(guān)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 天文光譜儀CCD記錄的Echelle光柵衍射的某一級(jí)定標(biāo)譜線(xiàn)[3]Fig.1 Astro-spectrograph calibration lines recorded in a CCD from an Echelle order[3]

常規(guī)的定標(biāo)光源釷氬燈可以提供上千根間隔不等、強(qiáng)度不同的定標(biāo)譜線(xiàn)，定標(biāo)精度最高能達(dá)到1 m/s，不用光源的碘吸收譜線(xiàn)定標(biāo)法及光譜干涉法的分辨率也是1 m/s量級(jí)。

激光頻率梳（Laser Frequency Comb）的出現(xiàn)和在頻率測(cè)量應(yīng)用上的普及，可以提高天文光譜定標(biāo)精度，其可提供上萬(wàn)根等間隔、強(qiáng)度均勻的標(biāo)尺刻度，理論上可以達(dá)到1 cm/s的分辨率。所以激光頻率梳出現(xiàn)不久，科學(xué)家就提出用其作為光譜定標(biāo)光源［3-4］，取代傳統(tǒng)的釷氬燈和碘吸收盒，這種新型定標(biāo)光源稱(chēng)為天文光梳。

和釷氬燈一樣，激光頻率梳提供的譜線(xiàn)也是衍射斑（如圖1），需要像素點(diǎn)擬合來(lái)確定重心。設(shè)定標(biāo)譜線(xiàn)可用高斯函數(shù)擬合，并設(shè)光譜儀的光子噪聲為泊松分布，單根定標(biāo)譜線(xiàn)的光子噪聲受限的定標(biāo)“精度”，即每個(gè)梳齒的位置誤差（用頻寬Δνrms表示）可用式（1）估算［3］。

式中：FWHM為每個(gè)定標(biāo)譜線(xiàn)所占的頻率寬度；SNR為定標(biāo)譜線(xiàn)中每個(gè)定標(biāo)線(xiàn)的信噪比；n為每個(gè)譜線(xiàn)所占的CCD像素?cái)?shù)。所有Echelle級(jí)次的定標(biāo)線(xiàn)個(gè)數(shù)N的積分得到的均方根誤差為

由式（1）和（2）可知，為了提高RV定標(biāo)“精度”或減小定標(biāo)誤差，應(yīng)該有足夠多的定標(biāo)梳齒和盡可能高的信噪比。但是定標(biāo)梳齒個(gè)數(shù)不可以隨便定，需要考慮梳齒可分辨，又不能距離太遠(yuǎn)。根據(jù)奈奎斯特定律，最佳的譜線(xiàn)頻率間隔應(yīng)為光譜儀分辨力的3倍［3］，最佳分辨力為小于0.5倍或大于5倍時(shí)會(huì)使定標(biāo)誤差翻倍。

因此，赫瑞-瓦特大學(xué)的天文光梳專(zhuān)家D.Reid教授提出［5］，為了達(dá)到類(lèi)地行星搜尋的視向速度測(cè)量精度，天文光梳的梳齒應(yīng)為每隔100 THz一個(gè)，Reid教授提出的波長(zhǎng)范圍分別為：375～435 nm，435～515 nm，515～630 nm，630～815 nm，815～1115 nm和1115～2000 nm。若我國(guó)某臺(tái)光譜儀的分辨力是40000，對(duì)應(yīng)的梳齒頻率間隔分別為：60，52，41，35，27，20 GHz，如圖2所示。根據(jù)此建議，在1115～2000 nm的紅外波段，只需要一個(gè)頻率間隔的天文光梳，而在可見(jiàn)光波段就需要含4段不同頻率間隔的天文光梳。

圖2 分辨力為40000的可見(jiàn)光域天文光梳的分段頻率間隔示意圖Fig.2 Schematic diagram of wavelength division and respective frequency separation of an astrocomb in visible light domain with resolution of 40000

2 天文光梳技術(shù)現(xiàn)狀

自天文光梳概念提出以來(lái)，很多研究單位開(kāi)展了相關(guān)工作［6］，其中較代表性的有哈佛大學(xué)、馬克斯-普朗克研究所、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局、赫瑞-瓦特大學(xué)、北京大學(xué)等，所用的光頻梳光源，有鈦寶石激光器、摻鐿光纖激光器、摻鉺光纖激光器及電光梳和微腔梳。

圖3是瑞士電子和微技術(shù)中心T.Herr等人總結(jié)的國(guó)際上各研究小組測(cè)試的天文光梳現(xiàn)狀［6］，包括所用激光器的種類(lèi)、覆蓋的波長(zhǎng)范圍和頻率間隔。圖3中，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為頻率間隔，其中年代前面的方括號(hào)內(nèi)標(biāo)號(hào)為原文中引用論文號(hào)。文中標(biāo)記“［18］（2016）/HRS”代表的是北京大學(xué)研制的天文光梳在國(guó)家天文臺(tái)興隆站高分辨力光譜儀（High Resolution Spectrometer，HRS）上的測(cè)試結(jié)果。可以看出，激光頻率梳特別是鈦寶石激光梳和摻鐿光纖激光梳通過(guò)擴(kuò)譜可以覆蓋大部分可見(jiàn)光區(qū)域，而其他類(lèi)型的天文光梳，例如電光梳和微腔梳，則都在近紅外區(qū)域。

圖3 天文光梳從可見(jiàn)光到近紅外的布局[6-7]Fig.3 Astrocombs achieved from visible to near infrared range[6-7]

天文光梳的定標(biāo)光譜覆蓋范圍為375～2000 nm，根據(jù)光譜儀成像器件CCD的感光區(qū)域，大致可分為可見(jiàn)光和近紅外兩段。可見(jiàn)光全域CCD全感光范圍為375～920 nm，對(duì)R=40000的分辨力，最佳梳齒間隔為60～25 GHz。近紅外波段為920~2000 nm，對(duì)R=40000的分辨力，最佳梳齒間隔為20 GHz。

上述要求并不高，甚至比一般的光頻梳要求還要低一些，比如梳齒線(xiàn)寬，并不要求達(dá)到Hz量級(jí)，MHz量級(jí)也可以接受，因?yàn)楣庾V儀分辨力沒(méi)有那么高；對(duì)于頻率不穩(wěn)定度，只要求長(zhǎng)期不穩(wěn)定度小于10-11。和其他光梳一樣，要求常年穩(wěn)定工作，因?yàn)樘煳挠^測(cè)經(jīng)常是以年為單位的。目前為止，只有德國(guó)某公司在出售天文光梳，但其產(chǎn)品還不成熟，而其他天文臺(tái)都在聯(lián)合有關(guān)大學(xué)和研究所研究自己的光頻梳。

3 天文光梳技術(shù)的難點(diǎn)

天文光梳技術(shù)的難點(diǎn)主要集中在以下幾方面：首先，飛秒激光器直接輸出的光譜一般呈孤子形狀，帶寬幾十nm，而且成熟的飛秒激光器的波長(zhǎng)并不在可見(jiàn)光波段，而是在近紅外波段；其次，飛秒激光器的重復(fù)頻率，一般在幾百M(fèi)Hz，很難直接達(dá)到幾十GHz；再有，因?yàn)橹貜?fù)頻率和頻率間隔互為倒數(shù)，頻域的大間隔就相當(dāng)于時(shí)域的高重復(fù)頻率，定標(biāo)需要的是光譜儀可分辨的大頻率間隔，而光梳的擴(kuò)譜，需要的是高脈沖能量和高峰值功率，這恰恰是低重復(fù)頻率激光器的特征。

為了達(dá)到光譜儀可分辨的光譜間隔，同時(shí)又覆蓋所需要的波長(zhǎng)，通常的方法是濾波和擴(kuò)譜，只不過(guò)是兩者先后順序的問(wèn)題。

3.1 從激光梳到天文光梳

從激光梳到天文光梳有兩種方式：第一種方式是先濾波、后擴(kuò)譜，即先將激光器輸出的幾百M(fèi)Hz的頻率的脈沖通過(guò)法布里-珀羅腔（FP腔）濾掉不需要的梳齒，使梳齒間隔倍增到幾十GHz，再通過(guò)非線(xiàn)性光纖將光譜擴(kuò)展到需要的波段；第二種方式是先擴(kuò)譜、后濾波，即先將從激光器輸出的脈沖通過(guò)非線(xiàn)性光纖擴(kuò)譜，然后再通過(guò)FP腔濾波到幾十GHz。這兩種方式存在本質(zhì)區(qū)別：

第一種方式：先濾波、后擴(kuò)譜，如圖4所示。濾波是在頻域?qū)⒉恍枰氖猃X周期性地濾掉，從而達(dá)到擴(kuò)大梳齒間隔的目的，比如從250 MHz倍增到25 GHz。這對(duì)FP腔的要求不高，精細(xì)度只要幾百，透射光譜寬度只要能將激光器的自身的光譜寬度通過(guò)即可，一般的反射鏡都能達(dá)到。在脈沖重復(fù)頻率倍增的同時(shí)，透過(guò)FP腔的脈沖的平均功率也降低到了原先的1/100，比如從原來(lái)的250 mW降低到了2.5 mW，此時(shí)，因單脈沖能量降低到了原來(lái)的1/10000，擴(kuò)譜很難。也可以放大后再擴(kuò)譜，比如從2.5 mW放大100倍，回到250 mW，但此時(shí)的單脈沖能量只有原來(lái)的1/100，相當(dāng)于每個(gè)脈沖的能量為10 pJ，所以還需要進(jìn)一步放大。對(duì)于高重復(fù)頻率激光器，高單脈沖能量意味著高平均功率，有兩種基本的元件可以用來(lái)擴(kuò)譜：一種是高非線(xiàn)性光纖或光子晶體光纖，光纖擴(kuò)譜的優(yōu)點(diǎn)是制作容易、和普通光纖兼容、耦合效率高，缺點(diǎn)是很容易因高平均功率而燒掉［8］；第二種是高非線(xiàn)性波導(dǎo)，高非線(xiàn)性材料制成的波導(dǎo)，例如氮化鋁AlN［9］、鈮酸鋰LN［10］等，非線(xiàn)性系數(shù)非常高，可容許較低的脈沖能量擴(kuò)譜，但是非線(xiàn)性系數(shù)高是因?yàn)檎凵渎矢?，而折射率高的波?dǎo)與普通石英光纖不兼容，耦合效率非常低，甚至只有10%。

圖4 激光頻率梳通過(guò)FP腔濾波，去掉不需要的梳齒，實(shí)現(xiàn)頻率間隔的M倍增Fig.4 Filtering of laser frequency comb lines by FP cavity and multiplication of comb tooth spacing

第二種方式：先擴(kuò)譜、后濾波。如果激光器直接輸出的單脈沖能量還是1 nJ左右，用高非線(xiàn)性光纖或光子晶體光纖可以輕易擴(kuò)譜到很寬的范圍。濾波的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)啁啾鏡對(duì)的時(shí)候，要面對(duì)零色散帶寬和平坦化的矛盾。色散為零的光譜和反射帶寬越寬，平坦程度越差。平坦程度會(huì)影響到每個(gè)諧振峰的線(xiàn)寬和信噪比。如前所述，每個(gè)FP腔覆蓋的光譜區(qū)間只有100 THz，此時(shí)的帶寬并不大，零相位和平坦高反射率的配對(duì)啁啾鏡很容易設(shè)計(jì)和制作。

在必須考慮功耗的場(chǎng)合，若采用第一種方式，濾波后需要放大，比如用光纖放大器放大到10 W，所需的電功率又要增加50 W，另外還有體積的擴(kuò)大、重量的增加、放大器和壓縮器的成本的增加。而采用第二種方式，后期基本上不消耗能源，激光器部分所需電功率不會(huì)超過(guò)10 W，所以從能耗的角度來(lái)說(shuō)，不推薦先濾波后擴(kuò)譜的方式。

3.2 電光調(diào)制光梳

1980年代末期，Haensh采用電光調(diào)制的方法產(chǎn)生72 GHz的邊帶，以獲得更寬的光頻測(cè)量范圍，但是單純調(diào)制產(chǎn)生的邊帶不能滿(mǎn)足更多更寬頻率測(cè)量的需要。1993年，時(shí)任東京工業(yè)大學(xué)教授的大津元一和他的助手興梠元伸，將電光調(diào)制器放在一個(gè)FP腔內(nèi)，將1550 nm的激光調(diào)制出一種光譜帶寬為4 THz、頻率間隔為6.8 GHz的光梳［11］，簡(jiǎn)稱(chēng)電光梳（EO comb）。兩年后，大津又采用780 nm半導(dǎo)體激光調(diào)制出電光梳，光譜展寬到7.6 THz（16 nm）［12］?，F(xiàn)在一般奉興梠元伸為電光梳的發(fā)明人。

電光梳因光譜形狀幾乎為三角形，遠(yuǎn)不如幾百THz的帶寬和平坦的光譜的激光頻率梳，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)銷(xiāo)聲匿跡了。隨后出現(xiàn)的激光頻率梳很快占據(jù)主流位置，當(dāng)激光頻率梳的頻率間隔受到腔長(zhǎng)的限制，不能滿(mǎn)足大頻率間隔的需求時(shí)，需要幾十GHz頻率間隔的高速光通訊光源和對(duì)梳齒進(jìn)行逐根調(diào)制的任意脈沖發(fā)生器，因此，天文光梳，電光梳重新回到人們的視野。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）研究人員把電光梳的頻率間隔定格在了30 GHz，被調(diào)制的激光器的波長(zhǎng)定在1μm［13］。研究人員沒(méi)有像大津那樣把調(diào)制器放在腔內(nèi)（因腔實(shí)在太短，放不下調(diào)制器），而是選用3個(gè)調(diào)制器串聯(lián)調(diào)制。接下來(lái)的操作步驟與做激光天文光梳無(wú)異：放大、FP腔濾波、放大、壓縮、擴(kuò)譜。中間怎么還有FP腔濾波？這是因?yàn)檎{(diào)制出來(lái)的光的梳齒有很大的“熱噪聲”，于是就得用FP腔再過(guò)濾一次，結(jié)果還是沒(méi)逃脫“腔”的束縛。高重復(fù)頻率鎖模不容易做到，電光梳驅(qū)動(dòng)用的30 GHz射頻源的價(jià)格也不低，其占地面積為1.52 m×0.6 m。

3.3 微腔光梳

微腔光梳在高速光通訊、高采樣率光譜學(xué)、高速測(cè)距等方面顯示出巨大潛力。自從十幾年前“微腔光梳”被提出來(lái)，不少人就憧憬著用微腔做天文光梳，理由是：天然的大頻率間隔，波長(zhǎng)不受增益介質(zhì)限制的無(wú)源腔結(jié)構(gòu)，小巧而可集成。2019年，國(guó)際上兩個(gè)做微腔光梳的研究組，同時(shí)發(fā)表了其研制的微腔天文光梳定標(biāo)測(cè)試結(jié)果［14-15］。兩個(gè)微腔的頻率間隔均在22 GHz左右，波長(zhǎng)均為1.5μm左右。不同的是，一個(gè)采用連續(xù)光泵浦，一個(gè)采用脈沖光泵浦，泵浦用的脈沖光，實(shí)際上是一個(gè)電光梳，可使微腔內(nèi)的孤子脈沖自啟動(dòng)和自鎖定。這兩種天文光梳的定標(biāo)誤差與激光天文光梳相比，還有很大的差距。

4 可見(jiàn)光天文光梳的挑戰(zhàn)

微腔梳和電光梳都工作在近紅外波段，特別是微腔光梳。其冠冕堂皇的理由是，銀河系中的恒星，70%都是M-矮星，即偏冷而光譜偏紅和偏紅外的恒星。這背后的原因，是紅外光梳比可見(jiàn)光梳容易做，特別是微腔光梳。還有一個(gè)支撐條件，是他們的光譜儀感光成像器件可以探測(cè)1μm以上的波長(zhǎng)，而我國(guó)沒(méi)有這個(gè)波段的光譜儀感光器件。

從科學(xué)上看，在和太陽(yáng)相似的黃矮星光譜中，藍(lán)光甚至紫外波段，金屬的吸收譜線(xiàn)更多、更密，攜帶的信息更多，因此，做可見(jiàn)光甚至紫外天文光梳，更有意義。通過(guò)圖3可知，目前只有激光天文光梳可做到可見(jiàn)光波段，只有Yb光纖激光梳可以擴(kuò)展到400 nm［8］。

對(duì)先擴(kuò)譜、后濾波的激光梳來(lái)說(shuō)，就是選擇4個(gè)不同間隔的FP腔而已，而對(duì)于電光梳來(lái)說(shuō)，意味著要做4個(gè)不同調(diào)制頻率的電光梳。接下來(lái)的問(wèn)題是，如何覆蓋不同的光譜區(qū)間？如果選擇四個(gè)不同的連續(xù)光做成電光梳，用什么放大？

對(duì)于微腔光梳，在片子上做幾種頻率間隔的微腔不算什么，問(wèn)題和電光梳一樣，如何將波長(zhǎng)覆蓋到這四個(gè)不同的光譜區(qū)間？做四個(gè)不同材質(zhì)的微腔？用四個(gè)不同波長(zhǎng)的可調(diào)諧穩(wěn)頻泵浦激光器？還是都從一個(gè)波長(zhǎng)出發(fā)去放大和寬帶擴(kuò)譜，然后濾掉不需要的光譜？在這之前，四個(gè)微腔是否要自己先做成重復(fù)頻率和初始頻率鎖定的光頻梳？

所以，如果說(shuō)激光梳還有兩種選擇，還可以在低平均功率、高脈沖能量下倍頻和擴(kuò)譜的話(huà)，頻率間隔一步到位的電光梳和微腔梳，別無(wú)選擇，只能面對(duì)艱辛的探索：擴(kuò)譜后倍頻，或倍頻后擴(kuò)譜。這一切都需要經(jīng)過(guò)放大和脈沖壓縮。這不僅使系統(tǒng)更加復(fù)雜，也對(duì)擴(kuò)譜元件造成巨大壓力。

在可見(jiàn)光波段，哈佛大學(xué)以鈦寶石激光器為基礎(chǔ)的天文光梳和某公司以Yb光纖激光器為基礎(chǔ)的天文光梳是相對(duì)成功的例子。它們分別安置在歐南臺(tái)坐落在西班牙的HARPS North和坐落在智利的HARPS South。這兩個(gè)天文光梳代表著兩種技術(shù)路線(xiàn)的真實(shí)實(shí)踐。

哈佛大學(xué)的先擴(kuò)譜后濾波方案，雖然只有綠光到紅光的120 nm帶寬（因無(wú)法放大），在分辨力為120000的HARPS光譜儀上還夠用［16］。赫瑞瓦特大學(xué)也堅(jiān)定地支持這個(gè)技術(shù)方案［5］。

某公司的先濾波后擴(kuò)譜的方案，把自己逼上低脈沖能量、高平均功率擴(kuò)譜的艱難道路。即使是18 GHz的頻率間隔、幾瓦的平均功率，也讓其擴(kuò)譜用拉錐光子晶體光纖不堪重負(fù)，不得不經(jīng)常更換。

2011年起，北京大學(xué)電子學(xué)院研究組基于1 GHz摻鐿光纖激光器的天文光梳，經(jīng)過(guò)各種實(shí)驗(yàn)和理性分析，最終選擇先擴(kuò)譜后濾波的方案。該激光器直接輸出功率在600 mW以上，可不用放大直接擴(kuò)譜到可見(jiàn)光，精確設(shè)計(jì)和自己拉制的拉錐光子晶體光纖，使500～900 nm光譜強(qiáng)度波動(dòng)在3 dB以?xún)?nèi)；精確設(shè)計(jì)的零色散啁啾鏡對(duì)，保證寬帶濾波。把光譜儀感光區(qū)間分為兩個(gè)頻段，頻率間隔分別設(shè)為45 GHz和30 GHz，可保證天文光梳在全波段維持高信噪比并工作在最佳頻率間隔。針對(duì)固定間距被動(dòng)腔長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題，北京大學(xué)電子學(xué)院研究組還提出了采用真空和溫控的固定間隔超穩(wěn)腔濾波的方案，并在國(guó)家天文臺(tái)興隆站進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)［17］。結(jié)果表明，真空FP腔的長(zhǎng)期漂移對(duì)視向速度誤差的影響小于0.3 cm/s，還可以避免每次開(kāi)機(jī)時(shí)復(fù)雜的初始準(zhǔn)直程序。

為了保證天文光梳能長(zhǎng)期穩(wěn)定遠(yuǎn)程工作，北京大學(xué)電子學(xué)院研究組還研制了一種集成在玻璃上的重復(fù)頻率為1 GHz的摻鐿光纖飛秒激光器，時(shí)間抖動(dòng)達(dá)阿秒量級(jí)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性遠(yuǎn)超過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的激光器［18］。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，對(duì)于天文光梳，特別是對(duì)可見(jiàn)光天文光梳來(lái)說(shuō)，一步到位地把頻率間隔提高到數(shù)十GHz也許不是聰明的主意。電光梳和微腔梳是高重復(fù)頻率脈沖發(fā)生器，并不能解決激光頻率梳遇到的工作波長(zhǎng)、光譜帶寬和光譜平坦化的難題。這些問(wèn)題不是新的科學(xué)問(wèn)題，而是和做高重復(fù)頻率激光脈沖擴(kuò)譜相似的老問(wèn)題，即如何實(shí)現(xiàn)寬帶倍頻，用何種介質(zhì)和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光到紫外的擴(kuò)譜。不同的是，微腔光梳還疊加上了自身如何鎖定成真正的光頻梳這個(gè)核心難題。

隨著天文光梳技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)也在競(jìng)爭(zhēng)中不斷進(jìn)步。本文并未討論光譜平坦化問(wèn)題，但是最近出現(xiàn)了片上大動(dòng)態(tài)范圍光調(diào)制器陣列做成的光譜平坦化器件［19］，向光梳集成化邁進(jìn)了一步。隨著材料科學(xué)的發(fā)展和集成光子學(xué)器件的進(jìn)步，擴(kuò)譜問(wèn)題會(huì)得到解決。無(wú)論用哪種技術(shù)，我們都期待著滿(mǎn)足我國(guó)天文光譜儀需求的天文光梳盡快出現(xiàn)，為解決天體物理學(xué)中的重要科學(xué)問(wèn)題，提供可靠的工具。