天文光譜高精度波長(zhǎng)定標(biāo)技術(shù)研究進(jìn)展（特邀）

劉桐君，葉慧琪，唐靚，郝志博，韓建，翟洋，肖東

（1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，南京 210042）（2 中國(guó)科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南京天文光學(xué)技術(shù)研究所），南京 210042）（3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

類地系外行星的探測(cè)和研究是目前天文界最關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前基于不同技術(shù)原理已開(kāi)發(fā)出微透鏡［1，2］，凌日搜索［3，4］，直接成像［5，6］，多普勒視向速度法等一系列方法，其中基于多普勒效應(yīng)的視向速度法適用范圍廣泛，是系外行星探索的重要技術(shù)［7］。1995年使用該技術(shù)發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞太陽(yáng)類型恒星運(yùn)行的系外行星［8］，即著名的51 Peg b，該發(fā)現(xiàn)也在2019年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這開(kāi)啟了質(zhì)量為地球質(zhì)量100 倍及以上的巨大行星密集發(fā)現(xiàn)的時(shí)代［9］（已發(fā)現(xiàn)的系外行星可查詢http：//exoplanet.eu/catalog/）。多普勒視向速度法通過(guò)測(cè)量恒星光譜的多普勒頻率移動(dòng)計(jì)算恒星在觀察方向上的速度分量，并通過(guò)視向速度的大小與變化周期來(lái)確定是否有環(huán)繞恒星運(yùn)行的行星。恒星的視向速度大小及變化周期受自身質(zhì)量和環(huán)繞行星的質(zhì)量、行星運(yùn)行軌道、觀測(cè)方向等參數(shù)的影響。20 世紀(jì)80年代到90年代，視向速度的測(cè)量精度為3 m/s～15 m/s，這種精度的測(cè)量只能發(fā)現(xiàn)質(zhì)量遠(yuǎn)大于地球的系外行星。探測(cè)類地行星的視向速度測(cè)量精度需要進(jìn)一步提高，以地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行帶來(lái)的太陽(yáng)視向速度作為參考，類地行星的探測(cè)預(yù)估需要9 cm/s［10］左右的測(cè)量精度并保持一年以上。而一些其他應(yīng)用如通過(guò)視向速度法直接測(cè)量宇宙的膨脹甚至需要更高的1 cm/s的測(cè)量精度［11］。這也對(duì)光譜波長(zhǎng)定標(biāo)技術(shù)提出了更高的要求。

利用已知物質(zhì)的吸收或發(fā)射光譜（如碘元素吸收池和釷-氬燈）進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)的技術(shù)被廣泛應(yīng)用于世界各地的天文臺(tái)［12-14］。此類波長(zhǎng)定標(biāo)方法由于受到天然的譜線展寬，譜線位置分布不均，元素?zé)衾匣葐?wèn)題的影響［12］，波長(zhǎng)定標(biāo)的精度的極限大約為1 m/s，無(wú)法滿足類地行星探測(cè)所需的10 cm/s 的定標(biāo)精度要求［13］。激光技術(shù)特別是激光頻率梳的快速發(fā)展為新一代高精度波長(zhǎng)定標(biāo)帶來(lái)了機(jī)遇，2002年，UDEM T 等［15］提出激光頻率梳可能用于高精度光譜測(cè)量。2008年，研究人員通過(guò)將基于鎖模激光器的激光頻率梳和法布里珀羅腔相結(jié)合，研制出與天文光譜儀分辨能力相匹配的天文光梳［16-17］并將其應(yīng)用于天文臺(tái)的光譜儀上，這種天文光梳有望達(dá)到cm/s 級(jí)別的定標(biāo)精度。在這之后，基于鎖模激光器的天文光梳系統(tǒng)得到了快速發(fā)展和進(jìn)一步改進(jìn)，如通過(guò)多個(gè)法布里珀羅腔級(jí)聯(lián)進(jìn)一步提高天文光梳梳齒中心頻率準(zhǔn)確性［10，18］，通過(guò)光子晶體光纖擴(kuò)展天文光梳的波長(zhǎng)覆蓋范圍［18，19］，通過(guò)八邊形光纖或者光纖擾動(dòng)的辦法降低多模光纖模式噪聲［20-22］，光譜整形技術(shù)改善定標(biāo)譜線信噪比［23］等等。這些技術(shù)進(jìn)一步拓寬了天文光梳的工作波段并提高了波長(zhǎng)定標(biāo)精度，正由于此，天文光梳已在全球多個(gè)天文臺(tái)光譜儀上作為波長(zhǎng)定標(biāo)源成功應(yīng)用。目前天文光梳系統(tǒng)最高精度的測(cè)試是PROBST R 等［24］在歐洲南方天文臺(tái)高精度視向速度行星搜索者（The High Accuracy Radial velocity Planet Searcher，HARPS）光譜儀上的測(cè)試，在這次測(cè)試中，使用了兩個(gè)獨(dú)立的具有相同等級(jí)精度的天文光梳互相驗(yàn)證，結(jié)果顯示天文光梳系統(tǒng)在101 min 實(shí)現(xiàn)了1 cm/s 的定標(biāo)精度。雖然基于鎖模激光器的天文光梳系統(tǒng)是目前實(shí)際測(cè)量精度最高的波長(zhǎng)定標(biāo)系統(tǒng)，但是該技術(shù)還是存在著短板。一般來(lái)說(shuō)商用基于鎖模激光器的激光頻率梳的重復(fù)頻率（幾百M(fèi)Hz）小于光譜儀能夠分辨的頻率差（幾個(gè)GHz），系統(tǒng)需要配備幾個(gè)鎖定的法布里珀羅腔進(jìn)行濾波，這不可避免的導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高昂。同一時(shí)期，連續(xù)光源配合法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具產(chǎn)生類光梳的定標(biāo)光源，通過(guò)電光調(diào)制直接產(chǎn)生與光譜儀分辨能力相匹配的光梳等技術(shù)也在快速發(fā)展并被用于實(shí)際測(cè)量中。在最近幾年，基于耗散克爾孤子的微腔激光頻率梳由于其尺寸小，功耗較低，無(wú)需濾波的優(yōu)點(diǎn)，也開(kāi)始進(jìn)行視向速度測(cè)量的波長(zhǎng)定標(biāo)驗(yàn)證測(cè)試，并取得了不錯(cuò)的結(jié)果。

本文分別介紹使用碘吸收池以及釷-氬燈的波長(zhǎng)定標(biāo)情況以及2008年之后開(kāi)發(fā)的能實(shí)現(xiàn)更高波長(zhǎng)定標(biāo)精度的基于鎖模激光器的天文光梳、連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源、電光調(diào)制天文光梳、微腔天文光梳的基本原理與典型系統(tǒng)，以及它們目前在全世界各地天文臺(tái)的實(shí)際使用及測(cè)試情況，最后總結(jié)并展望未來(lái)可能的發(fā)展方向。

1 氣體吸收池及空心陰極燈定標(biāo)源

使用已知的元素吸收或發(fā)射譜線對(duì)待測(cè)光譜進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)是一種常見(jiàn)的方法。對(duì)于測(cè)量天體的視向速度的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，早在1979年，CAMPBELL B 和WALKER G［25］使用氟化氫的吸收光譜對(duì)太陽(yáng)光譜進(jìn)行了標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了15 m/s 的視向速度測(cè)量精度。使用吸收光譜作為波長(zhǎng)定標(biāo)參考時(shí)，通常把充滿某種物質(zhì)的氣體吸收池插入到光譜儀的光路中，待測(cè)的光譜會(huì)通過(guò)氣體吸收池并被其中的物質(zhì)吸收，此時(shí)待測(cè)光譜中將包含已知的元素吸收峰。這種方法使用最為常見(jiàn)的是碘吸收池。碘吸收池的材料一般是玻璃，一個(gè)Subaru望遠(yuǎn)鏡高色散光譜儀（High Dispersion Spectrograph，HDS）設(shè)計(jì)的碘吸收池實(shí)物圖［26］如圖1（a）所示。圖中位于中間的透明玻璃器具即為碘吸收池，碘吸收池會(huì)在加入碘單質(zhì)后進(jìn)行密封。在實(shí)際使用時(shí)，需要進(jìn)行溫度控制將碘吸收池的溫度控制在50℃左右以保證碘以氣體的形式存在于池中。碘吸收池在20 世紀(jì)80年代被廣泛用于世界各天文臺(tái)的波長(zhǎng)定標(biāo)中，如1987年到2011年之間，Lick 天文臺(tái)的Hamilton 光譜儀［27］使用了碘吸收池進(jìn)行了視向速度測(cè)量，能實(shí)現(xiàn)3 m/s 的單次測(cè)量精度，并在此期間發(fā)現(xiàn)了第一顆處于偏心軌道的行星以及第一個(gè)主序星多行星系統(tǒng)。從1996年起，在10 m Keck-1 望遠(yuǎn)鏡的高分辨率階梯光譜儀（High Resolution Echelle Spectrometer，HIRES）［28］上也使用了碘吸收池進(jìn)行視向速度測(cè)量，能實(shí)現(xiàn)3 m/s 的單次測(cè)量精度，在此期間對(duì)上千顆恒星進(jìn)行了觀測(cè)。除此之外，還有McDonald 天文臺(tái)Tull 光譜儀［29］，3.9 m 英-澳望遠(yuǎn)鏡倫敦大學(xué)學(xué)院階梯光譜儀（University College London Echelle Spectrograph，UCLES）［30］，1.5 米托洛洛山美洲天文臺(tái)（Cerro Tololo Inter-American Observatory，CTIO）望遠(yuǎn)鏡CHIRON 光譜儀［31］等都使用了碘吸收池進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)。碘吸收池的波長(zhǎng)定標(biāo)性能受到其譜線分布的限制，主要工作在510 nm～620 nm 之間，除此之外，碘吸收池的溫度對(duì)標(biāo)定精度也有著一定影響［32］。這些因素都一定程度上限制了使用碘吸收池定標(biāo)的精度。

圖1 碘吸收池［26］及空心陰極燈［33］實(shí)物圖Fig.1 Pictures of iodine cell［26］ and hollow cathode lamp［33］

而和碘吸收池不同的是，釷-氬燈作為另一種較為常見(jiàn)的定標(biāo)光源，使用的是發(fā)射光譜進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)。釷-氬燈是一種空心陰極燈，一個(gè)被應(yīng)用到Calar Alto 天文臺(tái)的用于搜索M 矮星系內(nèi)行星的光學(xué)近紅外階梯光譜儀（Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Echelle Spectrographs，CARMENES）的空心陰極燈實(shí)物圖［33］如圖1（b）所示，圖中數(shù)字1 對(duì)應(yīng)的物體就是空心陰極燈及其外殼。空心陰極燈的陰極一般由金屬或金屬氧化物組成，空心陰極燈中還會(huì)填充不與陰極金屬發(fā)生反應(yīng)的惰性氣體。在進(jìn)行工作時(shí)會(huì)在陰極與陽(yáng)極之間加上幾百伏特的電壓，陰極的金屬原子在此過(guò)程中會(huì)濺射離開(kāi)陰極，并在之后從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)并發(fā)射出各個(gè)波長(zhǎng)的光。釷-氬燈發(fā)射譜線銳利并完全覆蓋可見(jiàn)光及近紅外波段，且在自然界中，釷元素基本只有232Th，沒(méi)有其它同位素，避免了因?yàn)橥凰貛?lái)的光譜譜線改變［34］，這些特性使得其很適合被應(yīng)用到波長(zhǎng)定標(biāo)中。世界很多天文臺(tái)都使用了釷-氬燈進(jìn)行了波長(zhǎng)定標(biāo)，歐洲南方天文臺(tái)3.6 m 望遠(yuǎn)鏡的HARPS 光譜儀［35］就使用了釷-氬燈進(jìn)行了波長(zhǎng)定標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了0.8 m/s 的定標(biāo)精度并進(jìn)行了一系列對(duì)M 矮星系內(nèi)行星［36］和FGK 型恒星周圍行星的探測(cè)［37］。Haute Provence 1.93 m 望遠(yuǎn)鏡的用于觀測(cè)恒星內(nèi)部和系外行星現(xiàn)象光譜儀（Spectrographe pour l′Observation des Phénomènes des Intérieurs stellaires et des Exoplanètes，SOPHIE）［38］，印度Mount Abu 1.2 m 望遠(yuǎn)鏡的物理研究實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)視向速度搜索（Physical Research Laboratory Advance Radial-velocity Abu-sky Search，PARAS）光譜儀［39］等都使用了釷-氬燈作為定標(biāo)光源。從定標(biāo)精度上看，使用釷-氬燈進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)的精度會(huì)略高于使用碘吸收池進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)的精度，但是這兩種技術(shù)由于受到譜線分布不均勻，譜線存在隨時(shí)間發(fā)生改變的因素的影響，都無(wú)法支持10 cm/s 的定標(biāo)精度［12］。于此同時(shí)釷-氬燈還面臨著另一些問(wèn)題，如生產(chǎn)商由于敏感材料管制使用氧化釷而不是金屬釷作為陰極帶來(lái)的光譜污染［40］。為了能夠進(jìn)一步提高波長(zhǎng)定標(biāo)精度以滿足探測(cè)系外類地行星的要求，研究人員開(kāi)始開(kāi)發(fā)新的定標(biāo)光源如天文光梳系統(tǒng)以及連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源。盡管如此，釷-氬燈這類定標(biāo)源由于其性價(jià)比高，使用方便，依舊是現(xiàn)在各天文臺(tái)光譜儀波長(zhǎng)定標(biāo)模塊的重要組成部分。

2 基于鎖模激光器激光頻率梳的天文光梳

使用基于鎖模激光器激光頻率梳的天文光梳進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)是目前精度最高的波長(zhǎng)定標(biāo)方法，該系統(tǒng)的復(fù)雜程度也是最高的。以PROBST R 等［24］在HARPS 光譜儀上測(cè)試的激光頻率梳1（Laser Frequency Comb 1，LFC1）系統(tǒng)為例介紹該系統(tǒng)的組成和各部分的作用。該系統(tǒng)研制于德國(guó)馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所并被應(yīng)用于歐洲南方天文臺(tái)3.6 m 望遠(yuǎn)鏡的HARPS 光譜儀的校準(zhǔn)，是比較完備和典型的鎖模激光器天文光梳。該系統(tǒng)的示意圖如圖2 所示。

圖2 鎖模激光器天文光梳系統(tǒng)示意圖［24］Fig.2 Diagram of mode lock laser astro-comb system ［24］

激光頻率梳由鎖模摻鐿光纖激光器產(chǎn)生，其重復(fù)頻率250 MHz，中心波長(zhǎng)1 040 nm。激光頻率梳各個(gè)模式的頻率可以用公式f=mfr+fo表示，式中的fr代表重復(fù)頻率，m代表一個(gè)較大的整數(shù)，fo代表相移頻率。重復(fù)頻率和相移頻率都被鎖定到經(jīng)過(guò)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）信號(hào)校準(zhǔn)的銣原子鐘，這使得該激光頻率梳在幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間尺度上具有Δf/f=5.6×10?12的精度，這相當(dāng)于0.3 cm/s 的視向速度測(cè)量精度。HARPS 光譜儀［14］的分辨率R為115 000，這相當(dāng)于在波長(zhǎng)515 nm 處的能夠分辨的頻率間隔為5.2 GHz［23］。而為了使激光頻率梳能夠被光譜儀清晰分辨，一般需要將重復(fù)頻率提高到光譜儀分辨能力的3～4 倍。所以該系統(tǒng)使用了三個(gè)級(jí)聯(lián)的精細(xì)度為2 600 的法布里珀羅腔將激光頻率梳250 MHz 的重復(fù)頻率提高到18 GHz，這相當(dāng)于每72 個(gè)模式中只保留一個(gè)模式。在法布里珀羅腔中的大部分模式的傳輸受到限制，但這些模式并不是完全消失，一般單個(gè)法布里珀羅腔對(duì)于邊模的抑制比在20～30 dB，而無(wú)法被光譜儀分辨的未完全消失的邊模將會(huì)使得光梳梳齒中心發(fā)生偏移。使用多個(gè)法布里珀羅腔級(jí)聯(lián)有助于提高對(duì)于邊模的抑制，進(jìn)而減小梳齒的偏移。同時(shí)為了保持法布里珀羅腔的穩(wěn)定，采用PDH（Pound-Drever-Hall，PDH）激光穩(wěn)頻方法［41］將法布里珀羅腔鎖定到一個(gè)連續(xù)波激光器上，連續(xù)波激光器本身則被鎖定在頻率梳透過(guò)腔體傳輸?shù)哪Ｊ筋l率之一上。經(jīng)過(guò)濾波的頻率梳會(huì)進(jìn)行光功率放大和光脈沖壓縮以補(bǔ)償經(jīng)過(guò)法布里珀羅腔之后的功率損失，此系統(tǒng)中光功率放大和光脈沖壓縮使得脈沖的平均功率達(dá)到12 W，脈沖寬度達(dá)到130 fs。放大后的光梳有足夠大的峰值功率以通過(guò)光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)光譜展寬，從紅外波段展寬到可見(jiàn)光波段。之后光梳被色散后送入基于空間光調(diào)制器的光譜整形系統(tǒng)，利用空間光調(diào)制器可以調(diào)整不同波長(zhǎng)的強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)光梳全譜流量均衡。天文光梳在送往光譜儀的過(guò)程中，往往還需要在多模光纖中進(jìn)行傳輸，傳輸過(guò)程中形成的散斑，會(huì)影響高分辨率光譜的信噪比。一般使用八邊形光纖和動(dòng)態(tài)擾模的方法使得多模光纖中各模式均勻混合，獲得更均勻的輸出光。此類天文光梳已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際的對(duì)天測(cè)試，并作為某些天文臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)源。目前報(bào)道的基于鎖模激光器的天文光梳在各天文臺(tái)測(cè)試或運(yùn)行的情況如表1 所示。

表1 鎖模激光器天文光梳運(yùn)行和測(cè)試報(bào)告Table 1 Operation and test reports of astro-comb of mode-locked laser

從表1 可以得知，鎖模激光器天文光梳目前的工作波段主要集中在可見(jiàn)光波段，少部分工作在紅外，經(jīng)過(guò)濾波后頻率梳的重復(fù)頻率一般在8～30 GHz 范圍內(nèi)，具體由光譜儀的分辨率決定。自2008年馬克思普朗克量子光學(xué)研究所的STEINMETZ T 等［16］在德國(guó)真空塔望遠(yuǎn)鏡上以及哈佛大學(xué)LI C 等［17］在多鏡面望遠(yuǎn)鏡分別使用商用鎖模激光器和法布里珀羅腔組合構(gòu)成天文光梳系統(tǒng)進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)測(cè)試，并在之后的幾年時(shí)間里持續(xù)改進(jìn)。此類系統(tǒng)得到了快速發(fā)展并在世界多個(gè)天文臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證，大概經(jīng)過(guò)10年左右成為較為成熟的定標(biāo)系統(tǒng)，目前鎖模激光器天文光梳系統(tǒng)最高精度為在101 min 的運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)了1 cm/s 的精度［24］。由于系統(tǒng)的復(fù)雜度高，將鎖模激光器天文光梳系統(tǒng)作成交鑰匙系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)，目前只有德國(guó)門羅系統(tǒng)公司對(duì)外出售這種天文光梳。興隆2.16 m 望遠(yuǎn)鏡等望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行的光梳系統(tǒng)即來(lái)自該公司，根據(jù)本組最近的數(shù)據(jù)分析，興隆2.16 m 望遠(yuǎn)鏡天文光梳系統(tǒng)的實(shí)際波長(zhǎng)定標(biāo)精度30 cm/s 左右，如果進(jìn)一步的疊加數(shù)據(jù)消除噪聲可以提高到11 cm/s 左右，更高的精度則受到光譜儀的限制而無(wú)法達(dá)到。使用光譜儀配合天文光梳進(jìn)行視向速度測(cè)量的精度不僅和光梳自身穩(wěn)定度有關(guān)，還和所使用光譜儀的分辨率、數(shù)據(jù)處理方法等息息相關(guān)。如在FOCES 光譜儀工作的光梳被借用到HARPS 光譜儀作為對(duì)比光梳之后，和HARPS 原本配備的光梳互相驗(yàn)證具有最高1 cm/s 的精度，而這一臺(tái)光梳在FOCES 光譜儀上的定標(biāo)精度為12 cm/s。但就普遍情況來(lái)說(shuō)，基于鎖模激光器的天文光梳已成為最高精度的定標(biāo)工具，遠(yuǎn)高于使用氣體吸收池或空心陰極燈定標(biāo)精度。同時(shí)該定標(biāo)系統(tǒng)也在持續(xù)發(fā)展，朝著更加操作友好、更長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作、覆蓋更寬光譜的方向改進(jìn)。此外，還有很多建造中的鎖模激光器天文光梳系統(tǒng)，如2022年南非天文臺(tái)CRAUSE L 等［58］關(guān)于10 m 南非大型望遠(yuǎn)鏡（Southern African Large Telescope，SALT）上高分辨率光譜儀（High Resolution Spectrograph，HRS）的定標(biāo)光梳的研發(fā)報(bào)告，他們正在為該光譜儀紅色通道部分（555 nm～890 nm）搭建可靠的鎖模激光器天文光梳系統(tǒng)，并計(jì)劃在之后擴(kuò)展到藍(lán)色通道（370 nm～555 nm）。2022年8月門羅系統(tǒng)公司W(wǎng)U Yuanjie等［59］報(bào)告了該公司為Keck 望遠(yuǎn)鏡行星發(fā)現(xiàn)者（Keck Planet Finder，KPF）光譜儀設(shè)計(jì)的鎖模激光器天文光梳交鑰匙系統(tǒng)，該系統(tǒng)為全光纖耦合，具有無(wú)需調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)的濾波模塊和可選擇的分別覆蓋445 nm 至 870 nm 波段和915 nm 至1 450 nm 的工作波段。除此之外英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)CHENG Y 等［60］針對(duì)極大望遠(yuǎn)鏡（Extremely Large Telescope，ELT）的高分辨率紅外輻射探測(cè)器（High-resolution Infrared Radiation Sounder，HIRS）光譜儀定標(biāo)需求研制了基于簡(jiǎn)并光參量振蕩器（Optical Parametric Oscillator，OPO）的，覆蓋1.15 μm～1.8 μm 的天文光梳等。這都說(shuō)明鎖模激光器天文光梳已經(jīng)成為高精度波長(zhǎng)定標(biāo)最重要的技術(shù)之一。當(dāng)然鎖模激光器天文光梳技術(shù)也存在著一些短板，如系統(tǒng)十分復(fù)雜，造價(jià)高昂，其中一些部件如光子晶體光纖需要經(jīng)常更換以維持正常使用等。這些短板也促使人們對(duì)其他定標(biāo)工具如連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源、電光調(diào)制天文光梳、微腔天文光梳進(jìn)行研究。這些定標(biāo)源目前的綜合能力還不能和鎖模激光器天文光梳相比，但在某些方面已經(jīng)體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)或者潛力。

3 連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源

在鎖模激光器天文光梳出現(xiàn)的同一時(shí)代，出現(xiàn)了使用連續(xù)光源配合法布里珀羅腔的定標(biāo)光源進(jìn)行高精度定標(biāo)的報(bào)道。往前追溯將法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具應(yīng)用到天文探測(cè)早在20 世紀(jì)80年代就有嘗試［61］。法布里珀羅腔是一種由雙鏡面組成的諧振腔，可以用作濾波器件、諧振器件、傳感器件等。對(duì)于法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具條件下的麥克斯韋方程的解已經(jīng)有比較完善的研究［62］，經(jīng)過(guò)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具過(guò)濾后的兩個(gè)強(qiáng)度極大值之間的間隔也就是標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍和頻率的關(guān)系可以被表示為

式中，f表示光的頻率，n表示腔內(nèi)折射率，L表示腔的物理長(zhǎng)度，c表示光速，?(f)表示鏡面反射帶來(lái)的相位延遲。這個(gè)延遲和頻率相關(guān)的，在實(shí)際情況中會(huì)導(dǎo)致經(jīng)過(guò)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具過(guò)濾后的模式之間的頻率間距不完全相等。不過(guò)相差的比較小，所以在一般情況下，鏡面帶來(lái)的相位延遲被忽略，可以得到簡(jiǎn)化式為

而存在的各模式的頻率可以表示為

式中，m0是一個(gè)整數(shù)。式（3）表明連續(xù)光經(jīng)過(guò)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的傳播后，只有一系列特定頻率的光會(huì)在法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具中得到極大增強(qiáng)。如果法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù)是確定和不變的，按照式（2）和式（3）這些特定頻率也是固定的而且是等頻率間隔的，這也意味著可以通過(guò)連續(xù)光和法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具組合獲得頻率域上類似光梳分布的定標(biāo)源。當(dāng)然這和鎖模激光器產(chǎn)生的激光頻率梳有區(qū)別，激光頻率梳可以實(shí)現(xiàn)自參考并鎖定到原子鐘，其模式頻率具有較高的穩(wěn)定性和確定性。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)過(guò)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具過(guò)濾的光源需要參考原子吸收譜線等已知頻率來(lái)確定其透過(guò)峰的頻率，和激光頻率梳的精度及穩(wěn)定程度并不在同一個(gè)等級(jí)上。當(dāng)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的參數(shù)（折射率、腔長(zhǎng)等）由于環(huán)境改變而變化時(shí)，透過(guò)的模式頻率也會(huì)發(fā)生漂移，其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)更差。盡管如此，連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源相對(duì)于激光頻率梳還是擁有一些優(yōu)勢(shì)，其系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)比較低，而且在滿足較高的環(huán)境控制條件下，能實(shí)現(xiàn)比氣體吸收池，空心陰極燈等精度更高的定標(biāo)。正是由于這個(gè)原因，隨著鎖模激光器天文光梳的進(jìn)一步發(fā)展，連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具和鎖模激光器天文光梳構(gòu)成了互補(bǔ)的關(guān)系，逐漸被應(yīng)用于世界各天文臺(tái)的波長(zhǎng)標(biāo)定過(guò)程中。目前已經(jīng)報(bào)道的在世界各天文臺(tái)實(shí)現(xiàn)定標(biāo)測(cè)試的連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源的報(bào)告如表2 所示。

表2 連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具運(yùn)行及測(cè)試報(bào)告Table 2 Operation and test reports of white light Fabry Perot etalon

從表2 中可以得知，目前已經(jīng)報(bào)道的法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源的工作波段為可見(jiàn)光波段和近紅外波段，主要使用空氣間隙法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，這種標(biāo)準(zhǔn)具的示意圖和在HARPS 上進(jìn)行定標(biāo)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)具［63］實(shí)物圖如圖3 所示。這種標(biāo)準(zhǔn)具的反射鏡一般由具有高反射系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成，如鍍上貴金屬膜的低熱膨脹系數(shù)玻璃，兩鏡面之間的空隙由空氣或真空組成并使用低熱膨脹系數(shù)的材料作為間隔件。這種腔的優(yōu)點(diǎn)在于由于腔的熱膨脹系數(shù)也十分低且兩鏡面之間間隙為真空或空氣，所以該標(biāo)準(zhǔn)具的參數(shù)隨著溫度的變化比較小，有利于產(chǎn)生穩(wěn)定的定標(biāo)光源譜。為了保持環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定，一般需要放置在真空腔中并進(jìn)行溫度控制，這對(duì)環(huán)境控制方案提出了較高的要求。同時(shí)，光源的耦合對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具也十分重要，光從自由空間中耦合進(jìn)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具所要求的精度較高，不良的耦合會(huì)直接影響到產(chǎn)生的定標(biāo)光譜。HAO Jun 等［77，78］對(duì)光纖輸入情況下的法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果說(shuō)明輸入光纖光的近場(chǎng)分布的改變會(huì)降低定標(biāo)光譜的精度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)采用八邊形光纖和擾模器改善了這一狀況。

圖3 空氣間隙法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的示意圖和實(shí)物圖［63］Fig.3 Diagram and picture for air gap Fabry-Perot etalon［63］

除了常見(jiàn)的空氣間隙標(biāo)準(zhǔn)具，也有研究人員設(shè)計(jì)出其它新型標(biāo)準(zhǔn)具作為經(jīng)典空氣間隙法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的替代，如光纖法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，回音壁模式微腔標(biāo)準(zhǔn)具等。其中光纖法布里珀羅定標(biāo)具是一種由鏡面配合光纖組成的標(biāo)準(zhǔn)具，具有體積更小，易實(shí)現(xiàn)光源耦合，對(duì)震動(dòng)不敏感等優(yōu)點(diǎn)。HALVERSON S 等［69］在2014年設(shè)計(jì)了一種工作在1.5 μm～1.7 μm 的光纖法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，其實(shí)物圖和示意圖如圖4（a）、（b）所示。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具在APOGEE 光譜儀上進(jìn)行了測(cè)試，12 h 定標(biāo)精度達(dá)到2 m/s。除此之外BETTERS C 等［72］以及TANG Liang 等［79］測(cè)試的光纖法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。光纖法布里標(biāo)準(zhǔn)具雖然有很多優(yōu)勢(shì)，但由于兩鏡面之間的間隙由光纖材料填充，標(biāo)準(zhǔn)具的參數(shù)（折射率，物理長(zhǎng)度等）容易受到熱效應(yīng)的影響，就目前的測(cè)試報(bào)告其定標(biāo)精度不如空氣間隙的法布里珀羅腔。

圖4 光纖法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具［69］和回音壁模式標(biāo)準(zhǔn)具［80］的示意圖和實(shí)物圖Fig.4 Diagrams and pictures for fiber Fabry-Perot etalon［69］ and whispering gallery mode resonator etalon［80］

對(duì)于非鏡面的標(biāo)準(zhǔn)具目前也有嘗試，回音壁模式微腔是一種能實(shí)現(xiàn)窄線寬、自由光譜范圍可調(diào)的濾波器，具有應(yīng)用到波長(zhǎng)定標(biāo)上的潛力。2020年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的研究人員報(bào)道了一種基于回音壁模式諧振腔的標(biāo)準(zhǔn)具［80］，他們計(jì)劃使用CaF2或MgF2材料制作一個(gè)配合白光工作在400 nm～800 nm 具有高穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)具。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具的示意圖和報(bào)道中的實(shí)物圖如圖4（c）、（d）所示，該標(biāo)準(zhǔn)具還在初步測(cè)試，可能具有體積小、無(wú)需鏡面、高消光比等優(yōu)勢(shì)。

雖然新型標(biāo)準(zhǔn)具具有一些傳統(tǒng)的氣體間隙標(biāo)準(zhǔn)具不具備的優(yōu)勢(shì)，但使用鏡面的氣體間隙標(biāo)準(zhǔn)具是目前的主流。連續(xù)光配合法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具完成長(zhǎng)時(shí)間、高精度的波長(zhǎng)定標(biāo)需要分別解決透過(guò)模式頻率確定和標(biāo)準(zhǔn)具長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定這兩個(gè)問(wèn)題。法布里珀羅腔的穩(wěn)定方法有很多，但和鎖模激光器天文光梳系統(tǒng)中使用的法布里珀羅腔主動(dòng)穩(wěn)定方法不同的是，連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源目前使用的穩(wěn)定方式基本都為被動(dòng)穩(wěn)定，即放置在真空環(huán)境或?qū)囟冗M(jìn)行控制，不加入某種負(fù)反饋系統(tǒng)去主動(dòng)調(diào)節(jié)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的參數(shù)。除了被動(dòng)的穩(wěn)定方法之外，也有將法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具鎖定到銣元素吸收峰的一些嘗試，2015年BETTERS C 等［72］設(shè)計(jì)的HERMES 光譜儀光纖法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，讓光纖法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具其中一個(gè)模式鎖定到了銣元素D2 吸收峰，并使用積分微分控制的熱電冷卻器進(jìn)行溫度控制以實(shí)現(xiàn)該模式與銣元素吸收峰之間的穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)10 min 運(yùn)行的均方根誤差小于10 cm/s。SCHWAB C 等［81］設(shè)計(jì)了一套鎖定到銣D2 吸收峰的法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)系統(tǒng)并使用了光譜儀對(duì)該定標(biāo)源進(jìn)行了一些測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了10?10的鎖定精度，這相當(dāng)于3 cm/s的視向速度測(cè)量精度，該技術(shù)有望應(yīng)用于MAROON-X［76，82］紅外大雙筒望遠(yuǎn)鏡系外行星探測(cè)（Infrared large binocular telescope exoplanet reconnaissance，Ilocater）［83］光譜儀的定標(biāo)。其他還有一些嘗試如使用雙精細(xì)度法布里珀羅腔［84］，或兩個(gè)精細(xì)度不同的腔放置在同一塊低膨脹系數(shù)材料的板子上［85］，使用其中高精細(xì)度腔或者波段進(jìn)行鎖定等?？偟膩?lái)說(shuō)目前主動(dòng)穩(wěn)定的連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源的實(shí)際測(cè)量報(bào)告非常少，其中一些鎖定技術(shù)在測(cè)試中有較好的表現(xiàn)并具有實(shí)現(xiàn)更高精度的潛力，但這些鎖定技術(shù)的實(shí)際表現(xiàn)還需長(zhǎng)期測(cè)試。最近有研究表明法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具長(zhǎng)期漂移具有波長(zhǎng)相關(guān)性［74，86，87］，TERRIEN R 等［74］對(duì)宜居行星發(fā)現(xiàn)者（Habitable Zone Planet Finder，HPF）光譜儀上的標(biāo)準(zhǔn)具長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的持續(xù)觀察以及SCHMIDT T 等［86］對(duì)ESPRESSO 光譜儀上的標(biāo)準(zhǔn)具兩年半的數(shù)據(jù)分析都發(fā)現(xiàn)氣體間隙法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具每天的漂移在幾cm/s，且不同波長(zhǎng)處的漂移大小并不相等。這個(gè)長(zhǎng)期漂移是一個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)雜函數(shù)，并不符合簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)具長(zhǎng)度改變導(dǎo)致漂移的模型，被認(rèn)為是和標(biāo)準(zhǔn)具鏡面膜老化相關(guān)，但目前還沒(méi)有確定。這些不同光譜儀上標(biāo)準(zhǔn)具的相似漂移結(jié)果說(shuō)明波長(zhǎng)相關(guān)的長(zhǎng)期漂移在法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具中普遍存在，這意味著高精度寬譜段的法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)時(shí)需要校正這個(gè)誤差，SCHMIDT T 等也驗(yàn)證了使用空心陰極燈對(duì)這個(gè)誤差進(jìn)行校正的可能性。但對(duì)于主動(dòng)穩(wěn)定的法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具來(lái)說(shuō)，鎖定于一個(gè)波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)具是否在整個(gè)工作波段都是穩(wěn)定的還是一個(gè)未知的問(wèn)題，可能需要進(jìn)一步測(cè)試。

為了精確確定透過(guò)模式的波長(zhǎng)，一般需要借助已知定標(biāo)源的波長(zhǎng)，如釷-氬燈、銣吸收峰做參考求解，現(xiàn)在已經(jīng)提出了一些方法。BAUER F 等［88］在2015年提出了一種組合釷-氬燈和法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具求波長(zhǎng)解的方法并在HARPS 光譜儀上進(jìn)行驗(yàn)證，將結(jié)果和用天文光梳系統(tǒng)求波長(zhǎng)解的結(jié)果做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)差異在10 m/s 左右。2019年CERSULLO F 等［89］提出了一種將釷-氬燈和法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具組合求得波長(zhǎng)解的方法，實(shí)測(cè)表明該方法相比于只使用-釷氬燈定標(biāo)的精度來(lái)說(shuō)精度提高了一倍。2021年HAO Zhibo 等［90］對(duì)釷-氬燈聯(lián)合法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具求波長(zhǎng)解的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明使用該方法獲得波長(zhǎng)解的法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具具有高于釷-氬燈的定標(biāo)精度。相比于鎖模激光器天文光梳，連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源長(zhǎng)期定標(biāo)精度和短期定標(biāo)精度都更低，所以不論是開(kāi)發(fā)新的主動(dòng)穩(wěn)定的方法還是研究長(zhǎng)期漂移誤差的波長(zhǎng)相關(guān)性，都是在朝著提高這種定標(biāo)源的穩(wěn)定性和定標(biāo)精度方向發(fā)展。雖然想要達(dá)到和鎖模激光器天文光梳同一等級(jí)的定標(biāo)精度較為困難，但法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具有可能在未來(lái)支持10 cm/s 精度的長(zhǎng)期定標(biāo)，更由于其系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)緊湊定標(biāo)系統(tǒng)甚至空間望遠(yuǎn)鏡定標(biāo)系統(tǒng)［91］的一個(gè)好的選擇。

4 電光調(diào)制天文光梳

隨著鎖模激光器天文光梳在高精度波長(zhǎng)定標(biāo)領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，研究人員也開(kāi)始嘗試使用基于其它原理產(chǎn)生的頻率梳進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)，比如通過(guò)電光調(diào)制的頻率梳和基于克爾效應(yīng)的微腔梳等。其中電光調(diào)制的頻率梳［92，93］基于晶體的電光效應(yīng)，通過(guò)加上電壓改變晶體折射率以實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，通過(guò)調(diào)制可以使光在其原有的頻率附近產(chǎn)生具有一定頻率間隔的新頻率的光，也就是激光頻率梳的各個(gè)模式。如果驅(qū)動(dòng)源是微波信號(hào)，那么可以產(chǎn)生重復(fù)頻率10 GHz 以上的頻率梳。正因如此電光調(diào)制天文光梳具有直接產(chǎn)生與高分辨率光譜儀分辨能力相匹配的10 GHz 以上重復(fù)頻率的頻率梳的能力，系統(tǒng)中可以省去用于濾波的法布里珀羅腔部分，在兼具激光頻率梳高精度的同時(shí)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)成。

以METCALF A 等［94］測(cè)試的電光調(diào)制天文光梳系統(tǒng)為例，介紹電光調(diào)制天文光梳系統(tǒng)的具體組成。該電光調(diào)制梳覆蓋波段700 nm～1 600 nm，重復(fù)頻率30 GHz，于2018年被安裝到9.2 m 哈伯-艾伯里望遠(yuǎn)鏡的宜居行星發(fā)現(xiàn)者光譜儀（HPF）上并做了實(shí)際視向速度測(cè)量。實(shí)際測(cè)量已經(jīng)實(shí)現(xiàn)接近1 m/s 的測(cè)量精度，根據(jù)數(shù)據(jù)推測(cè)該系統(tǒng)可能支持小于10 cm/s 的視向速度測(cè)量精度。該電光調(diào)制天文光梳系統(tǒng)如圖5 所示，光源部分包含一個(gè)連續(xù)波激光器；電光調(diào)制部分包含相位調(diào)制和振幅調(diào)制；頻率展寬部分包含光放大器件、光脈沖壓縮器件、非線性晶體；以及其他部分如濾波部分等。該電光調(diào)制天文光梳系統(tǒng)使用的是一個(gè)1 064 nm中心波長(zhǎng)的連續(xù)波激光器，連續(xù)波激光被輸入電光調(diào)制部分，電光調(diào)制部分由一個(gè)30 GHz 的微波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，這個(gè)微波信號(hào)以及連續(xù)波激光器都鎖定到一個(gè)GPS 校準(zhǔn)的原子鐘。這樣生成了初始頻率梳，約有100 個(gè)梳齒。之后進(jìn)行頻譜展寬，將初始頻率梳進(jìn)行光功率放大和光脈沖壓縮，使其具有70 fs 的脈沖寬度，然后使用一個(gè)25 mm 的非線性氮化硅晶體進(jìn)行頻譜展寬。在該部分之后還有一個(gè)可以對(duì)光梳的光譜包絡(luò)進(jìn)行調(diào)制的振幅濾波系統(tǒng)。

圖5 電光調(diào)制天文光梳系統(tǒng)［94］示意圖Fig.5 Diagram of electro-optical modulation astronomical optical comb system［94］

除了上面的電光調(diào)制天文光梳系統(tǒng)外，其它的運(yùn)行報(bào)道還有2015年YI X 等［95］在NASA 的紅外望遠(yuǎn)鏡（Infrared Telescope Facility，IRTF）的低溫階梯光譜儀（Cryogenic Echelle Spectrograph，CSHELL）以及在Keck-II 望遠(yuǎn)鏡近紅外光譜儀（Near Infrared Spectrograph，NIRSPEC）上進(jìn)行了紅外電光調(diào)制天文光梳試運(yùn)行和概念驗(yàn)證。該天文光梳覆蓋紅外H 波段，重復(fù)頻率12 GHz，驗(yàn)證結(jié)果表明該系統(tǒng)可以適用于小于1 m/s定標(biāo)精度的測(cè)量。2017年，OBRZUD E 等［96］在西班牙伽利略國(guó)家望遠(yuǎn)鏡（Telescopio Nazionale Galileo，TNG）的GIANO-B 近紅外階梯光譜儀上運(yùn)行了一個(gè)交鑰匙電光調(diào)制天文光梳系統(tǒng)，覆蓋波長(zhǎng)1 400 nm～1 800 nm，重復(fù)頻率14.5 GHz，實(shí)際測(cè)試證明該定標(biāo)系統(tǒng)的光子噪聲極限精度小于10 cm/s。SERIZAWA T 等［97］報(bào)道，從2019年2月開(kāi)始，在Subaru 望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始運(yùn)行的紅外多普勒（The Infrared Doppler，IRD）儀器上，使用一個(gè)電光調(diào)制，重復(fù)頻率12.5 GHz，工作波段覆蓋970 nm～1 750 nm 的激光頻率梳。該儀器在三年的時(shí)間里進(jìn)行了超過(guò)100 個(gè)夜晚的觀測(cè)，激光頻率梳定標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期波長(zhǎng)定標(biāo)2 m/s 的精度。

總的來(lái)說(shuō)，電光調(diào)制天文光梳系統(tǒng)出現(xiàn)于鎖模激光器天文光梳系統(tǒng)之后，其穩(wěn)定性與精度和鎖模激光器天文光梳相當(dāng)，具有能直接產(chǎn)生符合光譜儀分辨能力定標(biāo)光譜的優(yōu)勢(shì)，在紅外波段已經(jīng)被實(shí)際應(yīng)用于天文觀測(cè)中了。但該技術(shù)還是有一些限制，直接生成的電光調(diào)制光梳波長(zhǎng)尚未覆蓋可見(jiàn)光波段，在模式間距較寬（30 GHz及以上）的電光調(diào)制天文光梳系統(tǒng)中，還需要加入法布里珀羅腔進(jìn)行濾波［96］，這在一定程度上增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。還有研究［98］表明驅(qū)動(dòng)微波中的噪聲容易傳導(dǎo)給生成的電光梳，特別是對(duì)于遠(yuǎn)離連續(xù)波激光器波長(zhǎng)的模式。

5 微腔天文光梳

微腔頻率梳也被稱為克爾頻率梳，基于克爾效應(yīng)和四波混頻產(chǎn)生［99］。基于耗散克爾孤子［100］機(jī)制的微腔頻率梳克服了早期的微腔頻率梳容易進(jìn)入調(diào)制不穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性不好，無(wú)法形成穩(wěn)定的鎖模超短脈沖的缺點(diǎn)［101］，有望實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。對(duì)于視向速度測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，微腔頻率梳具有體積小，功耗低［102］、穩(wěn)定度高［103］，能直接產(chǎn)生符合光譜儀分辨能力的定標(biāo)光譜等優(yōu)勢(shì)。最近幾年，已有對(duì)微腔天文光梳進(jìn)行概念驗(yàn)證及試運(yùn)行的報(bào)道。

2017年SUH M 等［105］在Keck-Ⅱ望遠(yuǎn)鏡NIRSPEC 光譜儀上對(duì)搭建的微腔天文光梳系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。微腔由二氧化硅材料制成，直徑3 mm，放置在硅片上，泵浦源是一個(gè)經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制的連續(xù)激光。調(diào)制源和連續(xù)激光，微腔生成的頻率梳都鎖定到一個(gè)銣原子鐘上以獲得高精度。該微腔頻率梳重復(fù)頻率為22.1 GHz，經(jīng)過(guò)光譜展寬后覆蓋1 435～1 685 nm 波段。和一個(gè)電光調(diào)制天文光梳系統(tǒng)［95］對(duì)比，該系統(tǒng)能支持小于5 m/s級(jí)別的定標(biāo)精度。2018年OBRZUD E 等［104］在西班牙TNG 望遠(yuǎn)鏡GIANO-B 階梯光譜儀上驗(yàn)證了一個(gè)基于氮化硅微腔，重復(fù)頻率23.5 GHz 的天文光梳系統(tǒng)，系統(tǒng)的示意圖如圖6 所示。該系統(tǒng)中的微腔頻率梳的泵浦源是電光調(diào)制1 560 nm 連續(xù)激光產(chǎn)生的皮秒脈沖，該調(diào)制源鎖定到一個(gè)經(jīng)過(guò)GPS 校準(zhǔn)的銣原子鐘上，而微腔頻率梳自鎖到泵浦源上，實(shí)現(xiàn)了相同的精度。在諧振腔產(chǎn)生激光頻率梳之后通過(guò)光纖布拉格光柵對(duì)泵浦光進(jìn)行了過(guò)濾以避免探測(cè)器上出現(xiàn)過(guò)飽和。通過(guò)和一個(gè)鈾-氖空心陰極燈的定標(biāo)光譜做對(duì)比并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出，該微腔天文光梳系統(tǒng)理論上可以在測(cè)量1 s 的情況下支持1 cm/s 的定標(biāo)精度。

圖6 GIANO-B 光譜儀上測(cè)試的微腔天文光梳系統(tǒng)［104］示意圖Fig.6 Diagram of microcavity astronomical comb system［104］ tested on GIANO-B spectrometer

目前微腔天文光梳還只是一些初步的概念性驗(yàn)證，離實(shí)際使用還有距離，可能還需要克服其本身的一些問(wèn)題，如微腔頻率梳主要集中在紅外通信波段，可見(jiàn)光波段的微腔頻率梳由于腔的正常色散特性而不易產(chǎn)生［99］。當(dāng)重復(fù)頻率下降到符合天文光譜儀的分辨率時(shí)候（15～30 GHz），其帶寬受限等問(wèn)題。但微腔天文光梳展示了巨大的潛力，該系統(tǒng)在具有高定標(biāo)精度的同時(shí)擁有體積小，功耗少，無(wú)需濾波等一系列優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)緊湊型高精度波長(zhǎng)定標(biāo)系統(tǒng)的最佳選擇和重要發(fā)展方向。

6 總結(jié)與展望

本文對(duì)使用碘吸收池以及釷-氬燈的波長(zhǎng)定標(biāo)技術(shù)以及自2008年以來(lái)新一代波長(zhǎng)定標(biāo)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。這些新一代定標(biāo)光源包括鎖模激光器天文光梳、連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源、電光調(diào)制天文光梳、微腔天文光梳。這些技術(shù)相比于上一代氣體吸收池和空心陰極燈的定標(biāo)源的最大區(qū)別在于生成的定標(biāo)光譜都具有頻率域上密集、等間距分布的一系列峰值，克服了原子吸收或發(fā)射光譜分布和強(qiáng)度不均勻的缺點(diǎn)，使得視向速度的短期測(cè)量精度首次達(dá)到了1 cm/s 的級(jí)別。其中最成功的莫過(guò)于基于鎖模激光器的天文光梳系統(tǒng)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于世界各天文臺(tái)的波長(zhǎng)定標(biāo)中。該系統(tǒng)中的典型的激光頻率梳重復(fù)頻率一般在幾百M(fèi)Hz，離適合光譜儀分辨能力的10 GHz 有較大的差距，這使得該系統(tǒng)在實(shí)際使用時(shí)需配備濾波模塊，這不可避免的增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。使用鎖模激光器技術(shù)直接生成較高的重復(fù)頻率（GHz）的頻率梳也有研究嘗試［106，107］，但目前沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用于天文光梳系統(tǒng)中。鎖模激光器天文光梳在未來(lái)可能朝著使用友好、更寬工作波段等方向進(jìn)行發(fā)展，特別是對(duì)寬波段天文光梳系統(tǒng)。目前天文光梳系統(tǒng)內(nèi)的頻率展寬模塊主要使用的是光子晶體光纖，光子晶體光纖面臨著容易損壞，可見(jiàn)光短波端附近無(wú)法覆蓋的問(wèn)題。利用二階非線性效應(yīng)如二次諧波［108］或者三階非線性效應(yīng)［109］可能解決這個(gè)問(wèn)題并讓天文光梳系統(tǒng)能在寬波段上工作。而電光調(diào)制天文光梳和微腔天文光梳都具有直接產(chǎn)生高重復(fù)頻率的適合光譜儀分辨率頻率梳的能力，與基于鎖模激光器的天文光梳系統(tǒng)相比，可以省略用于提高光梳重復(fù)頻率的濾波模塊，在系統(tǒng)復(fù)雜度上天然優(yōu)于基于鎖模激光器天文光梳系統(tǒng)，因此成為了基于鎖模激光器天文光梳的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者，但目前這兩種技術(shù)的工作波段還存在著限制，突破波長(zhǎng)覆蓋的限制是未來(lái)發(fā)展的方向之一。對(duì)于電光調(diào)制天文光梳來(lái)說(shuō)，直接生成的電光調(diào)制光梳集中在紅外波段，但和基于鎖模激光器的天文光梳系統(tǒng)類似的是，在系統(tǒng)中加入頻率展寬模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光波段的覆蓋，目前也有一些通過(guò)合頻將電光梳的波段轉(zhuǎn)移到可見(jiàn)光波段的嘗試［110，111］。而對(duì)于微腔天文光梳來(lái)說(shuō)，目前只進(jìn)行了概念驗(yàn)證和試運(yùn)行，離完善的可長(zhǎng)期運(yùn)行的系統(tǒng)還有距離。從工作波段上看，現(xiàn)有的微腔光梳主要工作在紅外波段，但已有很多將微腔生成的光梳擴(kuò)展到可見(jiàn)波段的嘗試，如通過(guò)設(shè)計(jì)波導(dǎo)的幾何色散以及利用模式混合［112，113］，利用暗脈沖［114］等技術(shù)。有可能在未來(lái)開(kāi)發(fā)出工作在可見(jiàn)光波段的微腔光梳系統(tǒng)，考慮到其體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)具有很大的潛力，在研發(fā)成功后還有利于未來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)定標(biāo)功能模塊小型化、集成化、甚至實(shí)現(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡光譜儀的定標(biāo)，在未來(lái)會(huì)是最受關(guān)注的波長(zhǎng)定標(biāo)技術(shù)之一。相比于天文光學(xué)頻率梳這種較為復(fù)雜，造價(jià)高昂的定標(biāo)系統(tǒng)，連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。雖然目前無(wú)法達(dá)到和鎖模激光器天文光梳同一等級(jí)的定標(biāo)精度，但也具有超越氣體吸收池或空心陰極燈定標(biāo)精度，并具有支持10 cm/s 長(zhǎng)期定標(biāo)精度的潛力。正在發(fā)展的新的鎖定技術(shù)和對(duì)長(zhǎng)期漂移波長(zhǎng)相關(guān)性的研究或許有助于進(jìn)一步提高這種定標(biāo)源的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高精度定標(biāo)。在目前的各天文臺(tái)光譜儀的波長(zhǎng)定標(biāo)模塊中，一般會(huì)包含空心陰極燈、連續(xù)光法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具定標(biāo)源、天文光梳系統(tǒng)這樣一個(gè)定標(biāo)精度由低到高，復(fù)雜程度也由低到高的定標(biāo)組合［51，70，115，116］。這能夠使得定標(biāo)模塊具有高精度定標(biāo)能力的同時(shí)適用于多種場(chǎng)景并能應(yīng)對(duì)一些突發(fā)情況。隨著高精度波長(zhǎng)定標(biāo)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)定標(biāo)模塊的定標(biāo)精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定度都會(huì)有所提升，成本會(huì)有所下降，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期10 cm/s 的波長(zhǎng)定標(biāo)精度，并成為系外類地巖石行星發(fā)現(xiàn)和研究的關(guān)鍵技術(shù)。