頻率梳以前所未有的精度測(cè)量光學(xué)頻率，在光學(xué)計(jì)量學(xué)中有眾多應(yīng)用，例如高精度光譜學(xué)，光學(xué)原子鐘，阿秒科學(xué)，天文學(xué)和最近的量子信息處理。

光頻梳是一種光源，它的光譜不是連續(xù)的，而是由銳利的、窄的、等距的激光線組成的離散模式(如圖所示)。它可以通過(guò)一些機(jī)制產(chǎn)生，特別是通過(guò)穩(wěn)定的脈沖序列和由飛秒鎖模激光器產(chǎn)生的固定重復(fù)率，或者通過(guò)非線性介質(zhì)中的四波混合。前一種技術(shù)是由Theodor Hansch和John Hall在2000年左右開(kāi)發(fā)的，這使得他們二人分享了2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半，“因?yàn)樗麄儗?duì)基于激光的精確光譜學(xué)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，包括光學(xué)頻率梳技術(shù)。

這些梳子的功能就像光的“標(biāo)尺”，讓科學(xué)家能夠非常精確地測(cè)定光的頻率，徹底改變了基礎(chǔ)科學(xué)。舉例來(lái)說(shuō)，顯著進(jìn)步的頻率梳致力于寬帶光譜源——特別是在中紅外區(qū)域2 - 20(μm)，用于分子指紋，紫外線范圍(< 400nm)——開(kāi)辟了探索原子和分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)新的機(jī)遇。與光譜學(xué)一樣，頻率梳可以作為一個(gè)精確的光譜尺來(lái)支持傳統(tǒng)的激光測(cè)距方法。

頻率梳狀光源已用于光學(xué)時(shí)鐘，使精確的時(shí)間保持。在時(shí)域中，對(duì)超短脈沖的包絡(luò)和載波之間的相對(duì)相位的控制使得研究發(fā)生在一個(gè)光學(xué)周期的一小部分的動(dòng)力學(xué)成為可能，這是阿秒科學(xué)的關(guān)鍵。近年來(lái)，在尋找類地系外行星的過(guò)程中，通過(guò)激光頻率梳校準(zhǔn)的高分辨率光譜儀，實(shí)現(xiàn)了一種新的精確的徑向速度測(cè)量方法，擴(kuò)展了“天體梳”作為天文學(xué)光譜觀測(cè)工具的用途。

在這個(gè)聚焦于頻率梳的問(wèn)題上，我們提出了三篇綜述文章，提供了最新的芯片上產(chǎn)生頻率梳的進(jìn)展，頻率梳光譜學(xué)，以及頻率梳在量子科學(xué)和技術(shù)中的新角色。

頻率梳的大部分應(yīng)用最初是使用桌面系統(tǒng)進(jìn)行的。然而，基于芯片的非線性光子學(xué)為微型化提供了解決方案。光在波導(dǎo)中的嚴(yán)格限制，由于核心和波導(dǎo)包層之間的高折射率反差，提供了高的光學(xué)非線性和在寬泵浦波長(zhǎng)范圍內(nèi)的強(qiáng)色散管理能力。Gaeta、Lipson和Kippenberg綜述了兩種不同尋常的片上工藝，它們可以產(chǎn)生具有廣譜的頻率梳，在光波導(dǎo)中產(chǎn)生超連續(xù)譜，在微諧振器中產(chǎn)生克爾梳。片上頻率梳裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、便攜性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、可充分集成低功耗器件等特點(diǎn)，有望廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用環(huán)境。

Nathalie Picque和Theodor Hansch總結(jié)了新興的和快速發(fā)展的原子和分子寬帶光譜與頻率梳領(lǐng)域的發(fā)展。他們的綜述集中在頻率梳在光譜學(xué)中的影響，在光譜學(xué)中，頻率梳被用來(lái)直接激發(fā)或?qū)弳?wèn)一個(gè)樣品，而不是作為頻率標(biāo)尺。他們明確地集中在數(shù)字合成器的選擇和梳狀結(jié)構(gòu)被利用的技術(shù)。光譜頻率梳光譜學(xué)技術(shù)描述，包括直接頻率梳光譜學(xué)，拉姆齊梳光譜，光譜使用色散光譜儀，基于Michelson的傅里葉變換光譜學(xué)和雙梳光譜(如圖：兩個(gè)光學(xué)梳發(fā)電機(jī)略有不同，專門(mén)設(shè)計(jì)的線寬可能拍頻一個(gè)檢測(cè)器和生成一個(gè)射頻頻譜，使能高分辨率雙梳光譜)。頻率梳光譜鏡在極紫外和寬帶檢測(cè)，以及在片上光譜實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用前景同樣值得討論。

量子科學(xué)需要越來(lái)越復(fù)雜和大規(guī)模的量子資源。由于頻率梳能夠提供非常多的時(shí)間和頻率模式，從而促進(jìn)大規(guī)模的量子系統(tǒng)，頻率梳提供了一個(gè)有趣的解決方案，并可能被證明是非常寶貴的實(shí)用和可擴(kuò)展的量子信號(hào)和信息處理框架。Michael Kues和他的同事在他們的綜述中討論了通過(guò)光子糾纏操作的量子頻率梳，從鎖模量子頻率梳開(kāi)始，然后是能量-時(shí)間糾纏方法。他們討論了光子集成和光纖通信組件在控制量子態(tài)中的應(yīng)用，以及這些“量子微梳”在基于光子的量子科學(xué)中的潛力。

頻率梳直到20世紀(jì)70年代末漢斯的實(shí)驗(yàn)之后才達(dá)到現(xiàn)在的形式。從那時(shí)起，人們探索了幾個(gè)新的研究途徑。在未來(lái)的十年里，通過(guò)頻率梳來(lái)觀察是否會(huì)出現(xiàn)新的分支和驚喜，將是一件有趣的事情。