研究人员开发了一种新型光谱整形器，可以对来自激光频率梳的10000条谱线的光谱进行整形。图中展示了他们使用的空间光调制器，其表面呈现二维光谱。图片来源：威廉·纽曼，赫瑞瓦特大学

研究人员开发出一种新技术，能够比以往更精确地调控激光频率梳在可见光和近红外波段发射的光谱。这项进展有望为寻找太阳系外类地行星提供一种重要的全新工具。

在搜寻系外行星时，天文学家利用高精度光谱学来探测星光中微小的变化，这些变化揭示了恒星因行星绕其运行而产生的微妙“摆动”。但对于地球大小的行星而言，这些波长变化远小于光谱仪自身的固有不稳定性，因此需要使用激光频率梳——一种能够发射数千条等间距光谱线的激光器——来提供参考，就像精确的波长标尺一样。

“对于天文学家来说，最大的奖赏就是找到一颗质量与地球相似、围绕着一颗与太阳类似的恒星运行的行星，”英国赫瑞瓦特大学的研究团队负责人德里克·T·里德说，“我们的光谱整形器可以使激光频率梳上的谱线更加均匀，这使得光谱仪能够探测到更小的恒星运动，例如类地行星的运动，否则这些运动会被噪声掩盖?！?/span>

视频展示了新型光谱整形器如何对大约 10,000 条梳状谱线进行光谱平坦化处理。图片来源：赫瑞瓦特大学的 William Newman 和 Jake Charsley

研究人员在《Optica》杂志上发表论文称，他们利用实验室天文光谱仪和新的光谱整形方法，可以精确控制 10,000 条单独的光谱线，性能比以前的方法提高了约 10 倍。

“虽然光谱整形器在天文仪器领域有着直接的应用前景，但它也是一种用途广泛的工具，”里德说。“这项技术还可以惠及电信、量子光学和先进雷达等领域，在这些领域，对宽带宽范围内光形状的精确控制可以提高信号保真度，实现更快的数据传输，并增强对量子态的操控?！?/span>

研究人员将各种照片编程为二维光谱仪上的目标形状。图中展示的是一位团队成员的狗（左图），它由数千条激光频率梳谱线（右图）表示。图片来源：赫瑞瓦特大学的 William Newman、Jake Charsley 和 Yuk Shan Cheng。

塑造光谱

光谱整形器用于微调光线，以产生精确定义的光谱特性。例如，如果光源在光谱中波长较长的红色部分强度较高，则可以使用光谱整形器衰减这些波长，从而产生功率分布更加均衡的光谱。

例如，可以使用棱镜来实现这种光谱整形，棱镜将白光沿一条线分成不同的波长，形成单一光谱。然而，这种一维线状光谱与空间光调制器中的二维像素网格并不匹配?？占涔獾髦破髂芄欢哉龉馄追段诘?a class="link-system" href="/encyclopedia/7061224238728839168.html" title="光强度" target="_blank">光强度和相位进行可编程的逐像素控制，从而实现对复杂光源（例如激光频率梳）的高分辨率整形，其中每个模式都可以独立调节。

“我们的光谱整形器的设计灵感来源于大型望远镜上的天文光谱仪，它将光谱分成许多行，这种方式能更有效地利用高分辨率二维相机传感器，”里德说。“通过用空间光调制器代替光谱仪中常用的相机，我们能够比以往任何时候都更精确地控制宽频带内的光谱?！?/span>

通过将每条频率梳线映??射到一组独特的像素，研究人员能够独立控制每条线，从而使他们能够将频谱塑造成他们想要的任何形状。

这张伪彩色图像展示了一项实验结果：将包含数千条梳状谱线的激光频率梳光谱进行展平并调制幅度，从而在高分辨率交叉色散光谱仪上呈现出Optica“Opticat”的轮廓。图片来源：赫瑞瓦特大学的William Newman和Jake Charsley

窗体底端

更高层次的频率控制

由于无法在真正的望远镜式天文光谱仪上开发这项技术，研究人员在实验室里搭建了一个简易版的光谱仪。他们编写了一个算法，将测得的光谱与选定的目标形状进行比较，然后调整空间光调制器，直到两者匹配为止。

他们测试了光谱整形器将光谱整形成不同图案的能力，包括展平或分离不同的梳状谱线。为了演示，他们还将各种照片编程为二维光谱仪上的目标形状，并将每张照片的像素映射到各个激光梳状谱线。

这些实验表明，他们能够对 10,000 个梳状模式（频率梳的“齿”）进行精确的幅度控制，波长范围为 580 至 950 纳米，带宽与分辨率之比超过 20,000。相比之下，之前逐行调制演示仅报道了对数百个梳状模式的控制，带宽与分辨率之比仅为几千。

目前，该团队正在南非大型望远镜上测试光谱整形器，他们将在实际观测中评估其性能。

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