The synthesis of optical frequencies from the primary cesium microwave standard has traditionally been a difficult problem due to the large disparity in frequency. Recently this field has been dramatically advanced by the introduction and use of mode-locked lasers. This application of mode-locked lasers has been particularly aided by the ability to generate mode-locked spectra that span an octave. This review article describes how mode-locked lasers are used for optical frequency synthesis and gives recent results obtained using them.

1.
G. E. Sterling and R. B. Monroe, The Radio Manual (Van Nostrand, New York, 1950).
2.
B. C.
Young
,
F. C.
Cruz
,
W. M.
Itano
, and
J. C.
Bergquist
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
3799
(
1999
).
3.
R. J.
Rafac
,
B. C.
Young
,
J. A.
Beall
,
W. M.
Itano
,
D. J.
Wineland
, and
J. C.
Bergquist
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
2462
(
2000
).
4.
N. F.
Ramsey
,
J. Res. Natl. Bur. Stand.
88
,
301
(
1983
).
5.
C.
Santarelli
,
P.
Laurent
,
P.
Lemonde
,
A.
Clairon
,
A. G.
Mann
,
S.
Chang
,
A. N.
Luiten
, and
C.
Salomon
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
4619
(
1999
).
6.
D. J.
Berkeland
,
J. D.
Miller
,
J. C.
Bergquist
,
W. M.
Itano
, and
D. J.
Wineland
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
2089
(
1998
).
7.
H. M.
Goldenberg
,
D.
Kleppner
, and
N. F.
Ramsey
,
Phys. Rev. Lett.
8
,
361
(
1960
).
8.
C.
Salomon
,
D.
Hils
, and
J. L.
Hall
,
J. Opt. Soc. Am. B
5
,
1576
(
1988
).
9.
R. W. P.
Drever
,
J. L.
Hall
,
F. V.
Kowalski
,
J.
Hough
,
G. M.
Ford
,
A. J.
Munley
, and
H.
Ward
,
Appl. Phys. B: Photophys. Laser Chem.
B31
,
97
(
1983
).
10.
T. J.
Quinn
,
Metrologia
36
,
211
(
1999
).
11.
M.
Delabachelerie
,
K.
Nakagawa
, and
M.
Ohtsu
,
Opt. Lett.
19
,
840
(
1994
).
12.
J.
Ye
,
L. S.
Ma
, and
J. L.
Hall
,
J. Opt. Soc. Am. B
15
,
6
(
1998
).
13.
J.
Ye
,
L. S.
Ma
, and
J. L.
Hall
,
IEEE Trans. Instrum. Meas.
46
,
178
(
1997
).
14.
J.
Ye
,
L. S.
Ma
, and
J. L.
Hall
,
J. Opt. Soc. Am. B
17
,
927
(
2000
).
15.
J. E.
Bernard
,
A. A.
Madej
,
L.
Marmet
,
B. G.
Whitford
,
K. J.
Siemsen
, and
S.
Cundy
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
3228
(
1999
).
16.
M.
Roberts
,
P.
Taylor
,
G. P.
Barwood
,
P.
Gill
,
H. A.
Klein
, and
W. R. C.
Rowley
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1876
(
1997
).
17.
C.
Tamm
,
D.
Engelke
, and
V.
Bühner
,
Phys. Rev. A
61
,
053405
(
2000
).
18.
E.
Peik
,
J.
Abel
,
T.
Becker
,
J.
von Zanthier
, and
H.
Walther
,
Phys. Rev. A
60
,
439
(
1999
).
19.
J. L.
Hall
,
M.
Zhu
, and
P.
Buch
,
J. Opt. Soc. Am. B
6
,
2194
(
1989
).
20.
F.
Ruschewitz
,
J. L.
Peng
,
H.
Hinderthur
,
N.
Schaffrath
,
K.
Sengstock
, and
W.
Ertmer
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
3173
(
1998
).
21.
C. W.
Oates
,
F.
Bondu
,
R. W.
Fox
, and
L.
Hollberg
,
Eur. Phys. J. D
7
,
449
(
1999
).
22.
H.
Katori
,
T.
Ido
,
Y.
Isoya
, and
M.
Kuwata-Gonokami
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
1116
(
1999
).
23.
K. R.
Vogel
,
T. P.
Dinneen
,
A.
Gallagher
, and
J. L.
Hall
,
IEEE Trans. Instrum. Meas.
48
,
618
(
1999
).
24.
J. R.
Bochinski
,
T.
Loftus
, and
T. W.
Mossberg
,
Phys. Rev. A
61
,
041404
(
2000
).
25.
S.
Guerandel
,
T.
Badr
,
M. D.
Plimmer
,
P.
Juncar
, and
M. E.
Himbert
,
Eur. Phys. J. D
10
,
33
(
2000
).
26.
J.
Ye
,
L.
Robertsson
,
S.
Picard
,
L. S.
Ma
, and
J. L.
Hall
,
IEEE Trans. Instrum. Meas.
48
,
544
(
1999
).
27.
J. L.
Hall
,
L. S.
Ma
,
M.
Taubman
,
B.
Tiemann
,
F. L.
Hong
,
O.
Pfister
, and
J.
Ye
,
IEEE Trans. Instrum. Meas.
48
,
583
(
1999
).
28.
J. L. Hall, J. Ye, L.-S. Ma, K. Vogel, and T. Dinneen, in Laser Spectroscopy XIII, edited by Z.-J. Wang, Z.-M. Zhang, and Y.-Z. Wang (World Scientific, Singapore, 1998), pp. 75–80.
29.
D.
Hils
and
J. L.
Hall
,
Phys. Rev. Lett.
64
,
1697
(
1990
).
30.
P.
Fritschel
,
G.
Gonzalez
,
B.
Lantz
,
P.
Saha
, and
M.
Zucker
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
3181
(
1998
).
31.
H.
Mabuchi
,
J.
Ye
, and
H. J.
Kimble
,
Appl. Phys. B: Lasers Opt.
B68
,
1095
(
1999
).
32.
J. D.
Prestage
,
R. L.
Tjoelker
, and
L.
Maleki
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
3511
(
1995
).
33.
V. A.
Dzuba
,
V. V.
Flambaum
, and
J. K.
Webb
,
Phys. Rev. A
59
,
230
(
1999
).
34.
V. A.
Dzuba
and
V. V.
Flambaum
,
Phys. Rev. A
61
,
034502
(
2000
).
35.
T.
Udem
,
A.
Huber
,
B.
Gross
,
J.
Reichert
,
M.
Prevedelli
,
M.
Weitz
, and
T. W.
Hänsch
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
2646
(
1997
).
36.
C.
Schwob
,
L.
Jozefowski
,
B.
de Beauvoir
,
L.
Hilico
,
F.
Nez
,
L.
Julien
,
F.
Biraben
,
O.
Acef
, and
A.
Clairon
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
4960
(
1999
).
37.
A.
Peters
,
K. Y.
Chung
,
B.
Young
,
J.
Hensley
, and
S.
Chu
,
Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A
355
,
2223
(
1997
).
38.
T. Ikegami, S. Sudo, and Y. Sakai, Frequency Stabilization of Semiconductor Laser Diodes (Artech House, Norwood, MA, 1995).
39.
J.
Ye
and
J. L.
Hall
,
Opt. Lett.
24
,
1838
(
1999
).
40.
K. M.
Evenson
,
J. S.
Wells
,
F. R.
Petersen
,
B. L.
Danielson
, and
G. W.
Day
,
Appl. Phys. Lett.
22
,
192
(
1973
).
41.
C. O.
Weiss
,
G.
Kramer
,
B.
Lipphardt
, and
E.
Garcia
,
IEEE J. Quantum Electron.
24
,
1970
(
1988
).
42.
A.
Clairon
,
B.
Dahmani
,
A.
Filimon
, and
J.
Rutman
,
IEEE Trans. Instrum. Meas.
34
,
265
(
1985
).
43.
C. R.
Pollock
,
D. A.
Jennings
,
F. R.
Petersen
,
J. S.
Wells
,
R. E.
Drullinger
,
E. C.
Beaty
, and
K. M.
Evenson
,
Opt. Lett.
8
,
133
(
1983
).
44.
D. A.
Jennings
,
C. R.
Pollock
,
F. R.
Petersen
,
R. E.
Drullinger
,
K. M.
Evenson
,
J. S.
Wells
,
J. L.
Hall
, and
H. P.
Layer
,
Opt. Lett.
8
,
136
(
1983
).
45.
O.
Acef
,
J. J.
Zondy
,
M.
Abed
,
D. G.
Rovera
,
A. H.
Gerard
,
A.
Clairon
,
P.
Laurent
,
Y.
Millerioux
, and
P.
Juncar
,
Opt. Commun.
97
,
29
(
1993
).
46.
R. L.
Barger
and
J. L.
Hall
,
Appl. Phys. Lett.
22
,
196
(
1973
).
47.
H.
Schnatz
,
B.
Lipphardt
,
J.
Helmcke
,
F.
Riehle
, and
G.
Zinner
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
18
(
1996
).
48.
H. R.
Telle
,
D.
Meschede
, and
T. W.
Hänsch
,
Opt. Lett.
15
,
532
(
1990
).
49.
N. C.
Wong
,
Opt. Lett.
15
,
1129
(
1990
).
50.
M.
Kourogi
,
K.
Nakagawa
, and
M.
Ohtsu
,
IEEE J. Quantum Electron.
29
,
2693
(
1993
).
51.
L. R.
Brothers
,
D.
Lee
, and
N. C.
Wong
,
Opt. Lett.
19
,
245
(
1994
).
52.
D. A.
van Baak
and
L.
Hollberg
,
Opt. Lett.
19
,
1586
(
1994
).
53.
O.
Pfister
,
M.
Murtz
,
J. S.
Wells
,
L.
Hollberg
, and
J. T.
Murray
,
Opt. Lett.
21
,
1387
(
1996
).
54.
P. T.
Nee
and
N. C.
Wong
,
Opt. Lett.
23
,
46
(
1998
).
55.
C.
Koch
and
H. R.
Telle
,
J. Opt. Soc. Am. B
13
,
1666
(
1996
).
56.
J. N.
Eckstein
,
A. I.
Ferguson
, and
T. W.
Hänsch
,
Phys. Rev. Lett.
40
,
847
(
1978
).
57.
J. L. Hall, M. Taubman, S. A. Diddams, B. Tiemann, J. Ye, L. S. Ma, D. J. Jones, and S. T. Cundiff, in Laser Spectroscopy XIII, edited by R. Blatt, J. Eschner, D. Leibfried, and F. Schmidt-Kaler (World Scientific, Singapore, 1999), pp. 51–60.
58.
B. G.
Whitford
,
Appl. Phys. B: Photophys. Laser Chem.
B35
,
119
(
1984
).
59.
F.
Nez
et al.,
Phys. Rev. Lett.
69
,
2326
(
1992
).
60.
S.
Slyusarev
,
T.
Ikegami
, and
S.
Ohshima
,
Opt. Lett.
24
,
1856
(
1999
).
61.
A.
Douillet
,
J. J.
Zondy
,
A.
Yelisseyev
,
S.
Lobanov
, and
L.
Isaenko
,
IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control
47
,
1127
(
2000
).
62.
K.
Imai
,
Y.
Zhao
,
M.
Kourogi
,
B.
Widiyatmoko
, and
M.
Ohtsu
,
Opt. Lett.
24
,
214
(
1999
).
63.
K.
Imai
,
M.
Kourogi
, and
M.
Ohtsu
,
IEEE J. Quantum Electron.
34
,
54
(
1998
).
64.
J.
Ye
,
L. S.
Ma
,
T.
Day
, and
J. L.
Hall
,
Opt. Lett.
22
,
301
(
1997
).
65.
S. A.
Diddams
,
L. S.
Ma
,
J.
Ye
, and
J. L.
Hall
,
Opt. Lett.
24
,
1747
(
1999
).
66.
K.
Nakagawa
,
M.
de Labachelerie
,
Y.
Awaji
, and
M.
Kourogi
,
J. Opt. Soc. Am. B
13
,
2708
(
1996
).
67.
Th.
Udem
,
J.
Reichert
,
T. W.
Hänsch
, and
M.
Kourogi
,
Phys. Rev. A
62
,
031801
(
2000
).
68.
P. Dubé (personal communication 1997).
69.
J. Ye, Ph.D. thesis, University of Colorado, Boulder, CO, 1997.
70.
T.
Kobayashi
,
T.
Sueta
,
Y.
Cho
, and
Y.
Matsuo
,
Appl. Phys. Lett.
21
,
341
(
1972
).
71.
G. M.
Macfarlane
,
A. S.
Bell
,
E.
Riis
, and
A. I.
Ferguson
,
Opt. Lett.
21
,
534
(
1996
).
72.
K. P.
Ho
and
J. M.
Kahn
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
5
,
721
(
1993
).
73.
L. R.
Brothers
and
N. C.
Wong
,
Opt. Lett.
22
,
1015
(
1997
).
74.
T. W. Hänsch, in Tunable Lasers and Applications, edited by A. Mooradain, T. Jaeger, and P. Stokseth (Springer, Berlin, 1976).
75.
E. V.
Baklanov
and
V. P.
Chebotaev
,
Sov. J. Quantum Electron.
7
,
1252
(
1977
).
76.
R.
Teets
,
J.
Eckstein
, and
T. W.
Hänsch
,
Phys. Rev. Lett.
38
,
760
(
1977
).
77.
M. M.
Salour
,
Rev. Mod. Phys.
50
,
667
(
1978
).
78.
A. I.
Ferguson
and
R. A.
Taylor
,
Proc. SPIE
369
,
366
(
1983
).
79.
S. R.
Bramwell
,
D. M.
Kane
, and
A. I.
Ferguson
,
Opt. Commun.
56
,
112
(
1985
).
80.
S. R.
Bramwell
,
D. M.
Kane
, and
A. I.
Ferguson
,
J. Opt. Soc. Am. B
3
,
208
(
1986
).
81.
D. M.
Kane
,
S. R.
Bramwell
and
A. I.
Ferguson
,
Appl. Phys. B: Photophys. Laser Chem.
39
,
171
(
1986
).
82.
D. J. Wineland, J. C. Bergquist, W. M. Itano, F. Diedrich, and C. S. Weimer, in The Hydrogen Atom, edited by G. F. Bassani, M. Inguscio and T. W. Hänsch (Springer, Berlin, 1989), pp. 123–133.
83.
H. R.
Telle
,
G.
Steinmeyer
,
A. E.
Dunlop
,
J.
Stenger
,
D. H.
Sutter
, and
U.
Keller
,
Appl. Phys. B: Lasers Opt.
B69
,
327
(
1999
).
84.
T.
Udem
,
J.
Reichert
,
R.
Holzwarth
, and
T. W.
Hänsch
,
Opt. Lett.
24
,
881
(
1999
).
85.
T.
Udem
,
J.
Reichert
,
R.
Holzwarth
, and
T. W.
Hänsch
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
3568
(
1999
).
86.
J.
Reichert
,
R.
Holzwarth
,
T.
Udem
, and
T. W.
Hänsch
,
Opt. Commun.
172
,
59
(
1999
).
87.
J.
von Zanthier
et al.,
Opt. Commun.
166
,
57
(
1999
).
88.
S. A.
Diddams
,
D. J.
Jones
,
L. S.
Ma
,
S. T.
Cundiff
, and
J. L.
Hall
,
Opt. Lett.
25
,
186
(
2000
).
89.
D. J.
Jones
,
S. A.
Diddams
,
J. K.
Ranka
,
A.
Stentz
,
R. S.
Windeler
,
J. L.
Hall
, and
S. T.
Cundiff
,
Science
288
,
635
(
2000
).
90.
D. J.
Jones
,
S. A.
Diddams
,
M. S.
Taubman
,
S. T.
Cundiff
,
L. S.
Ma
, and
J. L.
Hall
,
Opt. Lett.
25
,
308
(
2000
).
91.
S. A.
Diddams
et al.,
Phys. Rev. Lett.
84
,
5102
(
2000
).
92.
J.
Reichert
,
M.
Niering
,
R.
Holzwarth
,
M.
Weitz
,
T.
Udem
, and
T. W.
Hänsch
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
3232
(
2000
).
93.
T. H.
Yoon
,
A.
Marian
,
J. L.
Hall
, and
J.
Ye
,
Phys. Rev. A
63
,
011402
(
2000
).
94.
D. K. Negus, L. Spinelli, N. Goldblatt, and G. Feugnet, in Advanced Solid-State Lasers (OSA, Washington, DC, 1991), Vol. 10.
95.
D. E.
Spence
,
P. N.
Kean
, and
W.
Sibbett
,
Opt. Lett.
16
,
42
(
1991
).
96.
M. T.
Asaki
,
C. P.
Huang
,
D.
Garvey
,
J. P.
Zhou
,
H. C.
Kapteyn
, and
M. M.
Murnane
,
Opt. Lett.
18
,
977
(
1993
).
97.
J. K.
Ranka
,
R. S.
Windeler
, and
A. J.
Stentz
,
Opt. Lett.
25
,
25
(
2000
).
98.
J.-C. Diels and W. Rudolph, Ultrashort Laser Pulse Phenomena: Fundamentals, Techniques, and Applications on a Femtosecond Time Scale (Academic, San Diego, 1996).
99.
E. P.
Ippen
,
Appl. Phys. B: Lasers Opt.
B58
,
159
(
1994
).
100.
R. L.
Fork
,
O. E.
Martinez
, and
J. P.
Gordon
,
Opt. Lett.
9
,
150
(
1984
).
101.
U.
Morgner
et al.,
Opt. Lett.
24
,
411
(
1999
).
102.
D. H.
Sutter
,
G.
Steinmeyer
,
L.
Gallmann
,
N.
Matuschek
,
F.
Morier-Genoud
,
U.
Keller
,
V.
Scheuer
,
G.
Angelow
, and
T.
Tschudi
,
Opt. Lett.
24
,
631
(
1999
).
103.
R. L.
Fork
,
C. H. B.
Cruz
,
P. C.
Becker
, and
C. V.
Shank
,
Opt. Lett.
12
,
483
(
1987
).
104.
I. P.
Christov
,
M. M.
Murnane
,
H. C.
Kapteyn
,
J. P.
Zhou
, and
C. P.
Huang
,
Opt. Lett.
19
,
1465
(
1994
).
105.
R.
Szipocs
,
K.
Ferencz
,
C.
Spielmann
, and
F.
Krausz
,
Opt. Lett.
19
,
201
(
1994
).
106.
S. T. Cundiff and S. A. Diddams (unpublished).
107.
R. J.
Jones
,
J. C.
Diels
,
J.
Jasapara
, and
W.
Rudolph
,
Opt. Commun.
175
,
409
(
2000
).
108.
S. B.
Darack
,
D. R.
Dykaar
, and
G. T.
Harvey
,
Opt. Lett.
16
,
1677
(
1991
).
109.
A.
Apolonski
,
A.
Poppe
,
G.
Tempea
,
C.
Spielmann
,
T.
Udem
,
R.
Holzwarth
,
T. W.
Hänsch
, and
F.
Krausz
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
740
(
2000
).
110.
J. K.
Ranka
,
R. S.
Windeler
, and
A. J.
Stentz
,
Opt. Lett.
25
,
796
(
2000
).
111.
L. Xu, M. W. Kimmel, P. O’Shea, R. Trebino, J. K. Ranka, R. S. Windeler, and A. J. Stentz, in XII International Conference on Ultrafast Phenomena, edited by S. M. T. Elsaesser, M. M. Murnane, and N. F. Scherer (Springer, Charleston, SC, 2000), pp. 129–131.
112.
S. A. Diddams (personal communication 2000).
113.
R. M.
Shelby
,
M. D.
Levenson
, and
P. W.
Bayer
,
Phys. Rev. B
31
,
5244
(
1985
).
114.
A. J.
Poustie
,
Opt. Lett.
17
,
574
(
1992
).
115.
A. J.
Poustie
,
J. Opt. Soc. Am. B
10
,
691
(
1993
).
116.
J. Stenger, C. Tamm, N. Haverkamp, S. Weyers, and H. R. Telle, Opt. Lett. (in press).
117.
H. R. Telle, B. Lipphardt, and J. Stenger, Appl. Phys. B: Lasers Opt. (submitted).
118.
K. F.
Kwong
,
D.
Yankelevich
,
K. C.
Chu
,
J. P.
Heritage
, and
A.
Dienes
,
Opt. Lett.
18
,
558
(
1993
).
119.
J.
Ye
,
J. L.
Hall
, and
S. A.
Diddams
,
Opt. Lett.
25
,
1675
(
2000
).
120.
L.
Xu
,
C.
Spielmann
,
A.
Poppe
,
T.
Brabec
,
F.
Krausz
, and
T. W.
Hänsch
,
Opt. Lett.
21
,
2008
(
1996
).
121.
R.
Holzwarth
,
T.
Udem
,
T. W.
Hänsch
,
J. C.
Knight
,
W. J.
Wadsworth
, and
P. S. J.
Russell
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
2264
(
2000
).
122.
H. A. Haus and E. P. Ippen (unpublished).
123.
J.
Stenger
and
H. R.
Telle
,
Opt. Lett.
25
,
1553
(
2000
).
124.
R.
Ell
et al.,
Opt. Lett.
26
,
373
(
2001
).
125.
J.
Ye
,
T. H.
Yoon
,
J. L.
Hall
,
A. A.
Madej
,
J. E.
Bernard
,
K. J.
Siemsen
,
L.
Marmet
,
J.-M.
Chartier
, and
A.
Chariter
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
3797
(
2000
).
126.
T.
Udem
et al.,
Phys. Rev. Lett.
86
,
4996
(
2001
).
127.
K. R.
Vogel
et al.,
Opt. Lett.
26
,
102
(
2001
).
128.
J.
Stenger
,
T.
Binnewies
,
G.
Wilpers
,
F.
Riehle
,
H. R.
Telle
,
J. K.
Ranka
,
R. S.
Windeler
, and
A. J.
Stentz
,
Phys. Rev. A
63
,
021802
(
2001
).
129.
J.
von Zanthier
et al.,
Opt. Lett.
25
,
1729
(
2000
).
130.
C. G.
Durfee
,
A. R.
Rundquist
,
S.
Backus
,
C.
Herne
,
M. M.
Murnane
, and
H. C.
Kapteyn
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
2187
(
1999
).
131.
A.
Bartels
,
T.
Dekorsy
, and
H.
Kurz
,
Opt. Lett.
24
,
996
(
1999
).
132.
F. X.
Kärtner
,
U.
Morgner
,
T.
Schibli
,
J. G.
Fujimoto
,
E. P.
Ippen
,
V.
Scheuer
,
G.
Angelow
, and
T.
Tschudi
,
J. Opt. Soc. Am. B
18
,
882
(
2001
).
133.
E.
Cormier
and
P.
Lambropoulos
,
Eur. Phys. J. D
2
,
15
(
1998
).
134.
M.
Niering
et al.,
Phys. Rev. Lett.
84
,
5496
(
2000
).
135.
S. A.
Diddams
et al.,
Science
293
,
825
(
2001
).
136.
J. Ye, L. S. Ma, and J. L. Hall, Phys. Rev. Lett. (submitted).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.