我們的眼睛只對三個光譜色帶（紅、綠、藍(lán)）敏感，如果顏色變得很暗，人們就無法分辨顏色。分光鏡學(xué)家可以通過光波的頻率來識別更多的顏色，并且可以通過光譜指紋來區(qū)分原子和分子。在一個原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，來自馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所（MPQ）和路德維希馬克西米利安大學(xué)（LMU）的Nathalie Picqué和Theodor Hansch現(xiàn)在已經(jīng)在幾乎完全黑暗的情況下記錄了近10萬種顏色的寬光譜。實(shí)驗(yàn)采用了兩個鎖模飛秒激光器和一個單光子計數(shù)探測器。

鎖模飛秒激光器發(fā)射出數(shù)十萬條頻率均勻的尖銳譜線。這種激光頻率梳現(xiàn)在被廣泛用于計算激光波的振蕩，它們在光學(xué)原子鐘中起到了鐘表的作用。頻率梳技術(shù)在2005年諾貝爾物理學(xué)獎授予Theodor Hansch 和 John L. Hall時備受關(guān)注。

上圖所示為光子計數(shù)雙梳狀光譜儀。兩束脈沖重復(fù)頻率略有不同的鎖模飛秒激光束與分束器疊加。一個輸出在通過樣品到達(dá)光子計數(shù)探測器之前被高度衰減。在比通常使用的弱10億倍的功率水平下，探測到的光子的統(tǒng)計信息攜帶著樣品的信息，其光譜可能非常復(fù)雜。

在過去的15年里，馬普所的Nathalie Picqué已經(jīng)利用頻率梳來實(shí)現(xiàn)寬帶光譜的新方法。在她的雙梳狀光譜技術(shù)中，一個激光器的所有梳狀線在一個很寬的光譜范圍內(nèi)同時質(zhì)詢一個樣品，第二個激光的梳狀線以稍有不同的間距干擾一個快速的光電探測器進(jìn)行讀出。一對梳狀線，每一個激光器，在探測器信號中產(chǎn)生射頻拍音符。這些射頻信號可以用計算機(jī)數(shù)字化和處理。樣品中的任何光譜結(jié)構(gòu)在射頻信號的梳狀物中以相應(yīng)的模式再現(xiàn)。激光重復(fù)頻率除以重復(fù)頻率差的大因數(shù)可以有效地降低光信號的速度。這種強(qiáng)大的光譜分析工具的獨(dú)特優(yōu)勢包括幾乎無限的光譜分辨率、可能的原子鐘校準(zhǔn)以及無需掃描或機(jī)械運(yùn)動部件即可獲得高度一致的復(fù)雜光譜。

Picqué和Hänsch現(xiàn)在已經(jīng)證明了雙梳狀光譜可以擴(kuò)展到光子計數(shù)領(lǐng)域中極低的光強(qiáng)度。在光子計數(shù)探測器的點(diǎn)擊次數(shù)統(tǒng)計中可以觀察到干涉信號，即使功率很低，平均在2000個激光脈沖的時間內(nèi)只有一次點(diǎn)擊。在這種情況下，兩個光子（每個激光器一個）在探測路徑中同時出現(xiàn)的可能性極小。如果我們假設(shè)光子在探測之前就存在，那么這個實(shí)驗(yàn)就無法直觀地解釋。

在比通常使用的低10億倍的光強(qiáng)度下工作的能力為雙梳狀光譜學(xué)開辟了有趣的新前景。Nathalie Picqué說，“這種方法現(xiàn)在可以擴(kuò)展到光譜區(qū)域，在那里可以獲得最多微弱的頻率梳形源，例如極端紫外線或軟X射線區(qū)域。光譜信號可以通過高度衰減的材料或通過長距離的后向散射獲得。從納米樣品中提取雙梳狀光譜到只產(chǎn)生微弱熒光信號的單個原子或分子是可行的�！�

Theodor Hänsch記得在實(shí)驗(yàn)室里，當(dāng)探測器點(diǎn)擊的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中第一次出現(xiàn)干擾模式時，“我感到很激動。即使在激光光譜學(xué)領(lǐng)域工作了50多年，在我看來，單次探測到的光子可以‘感知’這兩個具有大量梳狀線的激光器和樣品的復(fù)雜光譜，也是讓人驚訝不已！”

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