現(xiàn)代天文學(xué)探索中，尋找太陽(yáng)系外類地行星是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。天體物理學(xué)家需要依賴恒星運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的極其微小的徑向速度變化量來(lái)發(fā)現(xiàn)系外行星，并獲取與星球質(zhì)量相關(guān)的關(guān)鍵信息。為了實(shí)現(xiàn)這些精確測(cè)量，科學(xué)家們通常會(huì)將恒星光譜與天文光學(xué)頻率梳（天文光梳）產(chǎn)生的高度穩(wěn)定的參考光譜進(jìn)行對(duì)比。天文光梳作為一種超高精度的光學(xué)參考系統(tǒng)，能夠校準(zhǔn)天文光譜儀，在寬光譜范圍內(nèi)對(duì)恒星吸收波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)頻率成分進(jìn)行精確且可重復(fù)的測(cè)量。

目前，最精確的天文光梳由鎖模激光器產(chǎn)生，其頻率譜線間隔相同。然而，受增益介質(zhì)及其他關(guān)鍵元件的限制，此類有源系統(tǒng)的使用壽命有限。因此，基于無(wú)源光學(xué)系統(tǒng)過(guò)濾出頻率間隔一定的梳狀頻譜成為一種高性價(jià)比的選擇。法布里-珀羅（FP）腔作為一種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，因其能夠提供實(shí)時(shí)光譜跟蹤及校準(zhǔn)功能，常被用于實(shí)現(xiàn)這一目的。但FP腔存在明顯缺陷：隨著時(shí)間推移，其內(nèi)部端鏡表面涂層會(huì)退化，導(dǎo)致光譜漂移；FP腔體積較大，對(duì)真空及運(yùn)行溫度要求極高，難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的穩(wěn)定性。

針對(duì)這些難題，OEwaves公司與加州理工學(xué)院聯(lián)合提出了一種創(chuàng)新方案：利用微型回音壁模式諧振腔（Whispering-Gallery-Mode Resonator，WGMR）結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)激光頻率梳和FP腔。WGMR由晶體材料制成，能夠產(chǎn)生較寬的光譜。然而，作為無(wú)鏡面的開放腔體結(jié)構(gòu)，光在晶體內(nèi)部傳播時(shí)可能因材料色散引入，破壞寬光譜內(nèi)不同模態(tài)間的固定頻率間隔。因此，研制基于WGMR的天文光梳需解決兩大技術(shù)挑戰(zhàn)：一是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使WGMR在一個(gè)倍頻程內(nèi)支持準(zhǔn)單縱模光譜，簡(jiǎn)化光譜校準(zhǔn)流程；二是將WGMR封裝為緊湊構(gòu)型，抑制溫度波動(dòng)造成的光譜頻率漂移，提升長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

研究團(tuán)隊(duì)成功攻克了這些難題。他們?cè)O(shè)計(jì)了基于氟化鎂晶體的新型WGMR橫截面輪廓，使其具備高階模態(tài)的強(qiáng)大抑制能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該回音壁微腔標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)計(jì)能夠在雙倍頻程（435–1800 nm）的光譜范圍內(nèi)保持準(zhǔn)單縱模工作狀態(tài)，為超寬帶光學(xué)應(yīng)用開辟了新可能。團(tuán)隊(duì)通過(guò)精密設(shè)計(jì)光學(xué)耦合系統(tǒng)，利用氟化鎂晶體的固有各向異性精準(zhǔn)測(cè)量模態(tài)溫度變化，并將數(shù)據(jù)接入熱反饋回路，實(shí)現(xiàn)了諧振器的自溫度穩(wěn)定。相關(guān)研究成果以“Boosting astrocomb reference performance with a wideband, frequency-stabilized WGM etalon”為題發(fā)表，并被遴選為封面文章。

這一技術(shù)突破使天文光梳的預(yù)估長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定性優(yōu)于10?1?，對(duì)應(yīng)探測(cè)恒星徑向速度變化量低于3 cm/s，足以滿足類地行星的精準(zhǔn)探測(cè)需求。該成果不僅為高穩(wěn)定性回音壁模式諧振器的設(shè)計(jì)提供了全新科研范式，還驗(yàn)證了此類緊湊型光學(xué)系統(tǒng)在天文臺(tái)等實(shí)際觀測(cè)場(chǎng)景中大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)潛力。該技術(shù)有望在痕量檢測(cè)等室外測(cè)試應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

研究團(tuán)隊(duì)中，Yu-Hung Lai作為OEwaves公司高級(jí)研究工程師，主導(dǎo)了結(jié)構(gòu)封裝設(shè)計(jì)并完成器件集成與測(cè)試。他博士畢業(yè)于加州理工學(xué)院應(yīng)用物理系，主要研究方向?yàn)槌€寬激光器、回音壁模式諧振器及光子系統(tǒng)量子應(yīng)用。Lute Maleki是OEwaves公司首席執(zhí)行官兼首席技術(shù)官，擁有物理學(xué)博士學(xué)位，發(fā)表研究論文150余篇，持有發(fā)明專利70余項(xiàng)，曾為NASA研制原子鐘及量子傳感器。Gautam Vasisht是加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首席天文研究科學(xué)家，在天文學(xué)和天文儀器領(lǐng)域發(fā)表研究論文100余篇，目前研究方向包括徑向速度測(cè)量及高對(duì)比度成像技術(shù)研發(fā)。