光學(xué)頻率梳是一種特殊的激光器，就像一把光的尺子。它們能快速準(zhǔn)確地測(cè)量光的精確頻率，從不可見(jiàn)的紅外光和紫外光到可見(jiàn)的紅光、黃光、綠光和藍(lán)光。

這些獲得諾貝爾獎(jiǎng)的設(shè)備填補(bǔ)了一項(xiàng)重要的技術(shù)空白。光學(xué)頻率梳使科學(xué)家能夠像測(cè)量無(wú)線電波一樣測(cè)量和控制光波。有了光頻梳，時(shí)鐘、計(jì)算機(jī)和通信等采用無(wú)線電和微波頻率的技術(shù)現(xiàn)在可以與振蕩頻率高出 10000 倍的光波無(wú)縫連接。

20 世紀(jì) 90 年代末，NIST 的科學(xué)家們開(kāi)始研究更好的光學(xué)原子鐘，光頻梳就是其中的一部分。如今，NIST 的科學(xué)家已經(jīng)站在了推動(dòng)這些工具發(fā)展的最前沿，他們發(fā)現(xiàn)這些工具的用途已經(jīng)不僅僅局限于計(jì)時(shí)。

通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)量，光頻梳改變了科學(xué)。那么，梳子能做什么呢？很多，而且可能性還在不斷擴(kuò)大。

頻率梳的工作原理

頻率梳通過(guò)測(cè)量一列連續(xù)光脈沖的重復(fù)率來(lái)測(cè)量未知的光學(xué)頻率--這屬于較大的、易于測(cè)量的無(wú)線電頻率范圍。

光包含多種顏色，它們以波浪的形式傳播。從不可見(jiàn)的紅外光和紫外光到紅色、藍(lán)色或黃色的可見(jiàn)光，每種顏色的光都有相應(yīng)的頻率，或者說(shuō)每秒鐘經(jīng)過(guò)一個(gè)固定點(diǎn)的波峰數(shù)。

無(wú)線電波和微波也以光速傳播，但它們的波峰相距更遠(yuǎn)，因此現(xiàn)代電子設(shè)備可以輕松地對(duì)它們進(jìn)行計(jì)數(shù)和跟蹤。

光學(xué)頻率梳會(huì)發(fā)出一連串非常短暫、間隔很近的光脈沖，其中包含一百萬(wàn)種不同的顏色，從不透光的紅外光到可見(jiàn)光，直至紫外光譜。

由于采用了一種名為鎖模的技術(shù)，每個(gè)脈沖中的所有頻率都是相位啟動(dòng)，彼此同步。結(jié)果就像梳子的齒，將每個(gè)頻率分離成一個(gè)明顯的尖峰--這也是該設(shè)備名稱(chēng)的由來(lái)。這些梳齒的間距非常細(xì)，而且完全均勻，它們就像尺子上的刻度，可以極其精確地測(cè)量恒星、原子、其他激光器等發(fā)出的光。

光學(xué)頻率梳的應(yīng)用

計(jì)時(shí)

光學(xué)頻率梳在原子鐘和計(jì)時(shí)方面具有革命性的意義。光學(xué)原子鐘通過(guò)計(jì)算原子的自然振蕩來(lái)標(biāo)記時(shí)間的流逝，就像老爺鐘計(jì)算鐘擺的擺動(dòng)一樣。這些原子每秒振蕩約 500000 億次，比標(biāo)準(zhǔn)微波原子鐘的頻率高得多。目前用于測(cè)量微波原子鐘頻率的電子系統(tǒng)根本無(wú)法計(jì)算光學(xué) "滴答 "聲。

由于光學(xué)頻率梳的齒間距均勻且精確，因此梳齒的作用就像時(shí)鐘的齒輪一樣，可以接收較快的光學(xué)頻率，能將較快的光頻分解為電子鐘和當(dāng)前原子鐘使用的低頻微波信號(hào)。這樣，科學(xué)家們就能將光學(xué)原子鐘的高頻 “滴答聲 ”與微波鐘的低頻 “滴答聲 ”以及當(dāng)今計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)使用的電子設(shè)備聯(lián)系起來(lái)。 

有了這些在電子設(shè)備、微波工具和光學(xué)原子鐘之間傳輸精確信號(hào)的 “齒輪”，科學(xué)家們就可以利用這些功能強(qiáng)大的新時(shí)鐘來(lái)建立更快、更精確的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。光學(xué)原子鐘最終可能會(huì)重新定義秒。

光頻梳的作用就像時(shí)鐘中的齒輪，讓科學(xué)家能夠輕松地將高頻光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換為低頻微波，反之亦然。它們甚至可以幫助科學(xué)家在不同的光學(xué)頻率之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

為了將這些新時(shí)鐘用于國(guó)家和全球計(jì)時(shí)，科學(xué)家需要能夠比較來(lái)自不同距離的時(shí)鐘信號(hào)。光學(xué)頻率梳也有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。NIST 和 JILA（NIST 和 CU Boulder 的聯(lián)合研究所）使用激光雷達(dá)在空中發(fā)送時(shí)間信號(hào)，對(duì)兩種不同的原子鐘進(jìn)行比較。