Frekvence hřeben je spektrum spojena s sledu pulsů produkovaných módů laser , jako je například femtosekundovým laserem . Tato spektrální struktura je charakterizována diskrétní a pravidelně rozmístěnou posloupností čar, nazývaných také „zuby“ hřebenu. Hřebeny frekvence jsou také známé jako Dirac hřebeny, ale tento název se používá spíše v oblasti matematiky než fyziky .
Hlavní charakteristikou hřebenu je, že jeho -tou frekvenční složku lze popsat matematickým vztahem
Fne=F0+neFrep{\ displaystyle f_ {n} = f_ {0} + nf _ {\ text {rep}}}kde je frekvence spojená s fázovým posunem mezi dvěma po sobě jdoucími pulsy laseru a je opakovací frekvence laseru. Tento vztah umožňuje spojit optické frekvence hřebenu (jehož velikost je řádově kolem sto terahertzů) s frekvencemi a které patří do vysokofrekvenční domény (řádové velikosti gigahertzů).
Práce Johna L. Halla a Theodora W. Hänsche spojená s frekvenčními hřebeny a jejich aplikacemi vynesla každému z těchto fyziků čtvrtinu Nobelovy ceny za fyziku z roku 2005 „za přínos k rozvoji přesné laserové spektroskopie , včetně hřebene optické frekvence technika “.
Objev frekvenčních hřebenů se shoduje s konstrukcí prvního laseru s blokováním režimu Logan E. Hargrove et al. v roce 1964. Právě v 90. letech, během demokratizace femtosekundových laserů, získaly frekvenční hřebeny opět určitý zájem, zejména o metrologii optických frekvencí.
V roce 2007 byly pro generování hřebenů pomocí Kerrova efektu použity nedávné optické dutiny typů mikro rezonátorů , které umožnily dosáhnout vysokých opakovacích frekvencí několika desítek GHz, což je velmi obtížné dosáhnout pomocí více laserů.
Izolovaný puls z laseru s blokováním režimu vykazuje kontinuální spektrum. Spektrum spojené s pulzním sledem dodávaným stejným laserem má však strukturu ve tvaru hřebenu. Vysvětlení spočívá ve skutečnosti, že sled pulsů lze považovat za konvoluci izolovaného pulzu pomocí Diracova hřebenu. Poté, co vezmeme Fourierovu transformaci takové množiny, získáme, že spektrum má tvar hřebenu, protože Fourierova transformace Diracova hřebenu je Diracova hřeben ( matematickou demonstraci viz článek o hřebenu Dirac ). Výsledek navíc ukazuje, že obálka hřebenu se rovná obálce spektra izolovaného pulzu.
Aby byl použitelný, je nutné přesně znát úplné vlastnosti hřebenu, to znamená a . V tomto případě se o hřebenu říká, že se na něj odkazuje. K tomu je třeba měřit frekvence a . Opakovací frekvence je měřitelná pomocí rychlé fotodiody : detekcí časového intervalu mezi dvěma po sobě jdoucími pulzy sledu pulzů je snadné se vrátit zpět, protože máme . Frekvence ofsetu v počátku je složitější určit, protože vyžaduje mít hřeben, jehož spektrum je rozloženo na jednu oktávu, to znamená spektrum obsahující alespoň jednu frekvenci a její dvojnásobek. K tomu je nutné použít nelineární optické techniky .
Ačkoli frekvenční hřeben je spektrum produkované laserem s blokováním režimu, existují další mechanismy pro generování frekvenčního hřebenu.
Metrologii optických frekvencí byl historicky jedním z prvních oblastí použití frekvenčních hřebenů. Vzhledem k tomu, že světelná vlna může obsahovat více než jeden milion miliard (10 15 ) oscilací nebo cyklů za sekundu, je obecně nemožné přesně určit její frekvenci. Tato skutečnost platí zejména pro vlny, jejichž frekvence je několik desítek nebo dokonce stovek THz, protože standardní přístroje (založené na elektronice ) nejsou schopny sledovat oscilace světla. Chcete-li obejít toto omezení, je možné použít odkazovaný frekvenční hřeben.
Myšlenkou je použití hřebenu jako standardu k měření rozdílu ve frekvencích spíše než samotné neznámé frekvence, čímž se měření stanou přístupnějšími.
Spektroskopie je obor, kde mohou být použity frekvence hřebeny. Pro tuto aplikaci existuje velmi specifická technika zvaná „spektroskopie se dvěma frekvenčními hřebeny“. Jak název napovídá, tato technika používá dva hřebeny frekvencí, ale jeden z hřebenů má mírně odlišnou frekvenci opakování ve srovnání s druhým hřebenem. Obvykle se poznamenává, že jeden ze dvou hřebenů má opakovací frekvenci a druhý hřeben opakovací frekvenci s kladnou frekvencí, což dává rozdíl v opakovací frekvenci mezi dvěma hřebeny.
Pokud tyto dva frekvenční hřebeny vykazují koherenční vztah , pak mohou interferovat. Rušivý signál je třetí frekvenční hřeben, jehož tvar je ekvivalentní s prvními dvěma hřebeny, ale jehož frekvence leží v vysokofrekvenčním rozsahu, což detekci mnohem usnadňuje. O optických hřebenech se říká, že se množí ve vysokofrekvenční oblasti.
Pokud optické hřebeny vykazují absorpční signál v důsledku interakce s plynem nebo kapalinou, vysokofrekvenční hřeben bude také vykazovat tento absorpční signál. Je proto možné detekovat podpis plynu detekcí pouze vysokofrekvenčního signálu.
Hlavní obtíž techniky spočívá v produkci dvou hřebenů optických frekvencí vykazujících koherenční vztah.
Frekvenční hřebeny lze použít ke kalibraci nástrojů pro detekci exoplanet.
V oblasti dlouhých vlnových délek umožňuje hřebenový filtr zpracovat optický signál přidáním zpožděné verze signálu k sobě, což způsobí destruktivní nebo konstruktivní interference . Frekvenční odezva filtru je ve formě řady rovnoměrně rozložených vrcholů, odtud název „hřebenový filtr“. Filtr tohoto typu lze v průběhu času implementovat v diskrétní nebo spojité formě.
Jsou nepochybně velmi početné, ale již můžeme citovat:
Vyhlídka :