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一種新型頻率梳可進(jìn)一步提高計(jì)時(shí)精度 基于芯片的設(shè)備被稱為頻率梳，它以無與倫比的精度測(cè)量光波的頻率，徹底改變了計(jì)時(shí)、太陽系外行星的探測(cè)和高速光通信。 現(xiàn)在，國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的科學(xué)家及其合作者開發(fā)了一種新的梳子制造方法，有望提高其已經(jīng)非常精確的精度，并允許它們測(cè)量以前無法進(jìn)入的一系列頻率范圍內(nèi)的光。擴(kuò)展范圍將使頻率梳能夠探測(cè)細(xì)胞和其他生物材料。 研究人員在《自然·光子學(xué)》雜志上描述了他們的工作。該團(tuán)隊(duì)包括來自比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)的François Leo及其同事、法國第戎勃艮第大學(xué)的Julien Fatome，以及來自聯(lián)合量子研究所的科學(xué)家，該研究所是NIST和馬里蘭大學(xué)的研究合作伙伴。  這些新設(shè)備是在一個(gè)小玻璃芯片上制造的，它們的工作方式與之前的基于芯片的頻率梳（也稱為微梳）完全不同。 頻率梳可以作為光的標(biāo)尺。就像普通尺子上均勻間隔的刻度標(biāo)記可以測(cè)量物體的長(zhǎng)度一樣，微梳上均勻間隔的頻率尖峰可以測(cè)量光波的振蕩或頻率。 研究人員通常使用三個(gè)要素來構(gòu)建微型梳子：一個(gè)被稱為泵浦激光器的單激光器；一個(gè)微小的環(huán)形諧振腔，最重要的元件；以及一個(gè)在兩者之間傳輸光的微型波導(dǎo)。注入波導(dǎo)的激光進(jìn)入諧振腔并在環(huán)上傳播。通過仔細(xì)調(diào)整激光器的頻率，環(huán)內(nèi)的光可以變成孤子——一種在移動(dòng)時(shí)保持其形狀的孤波脈沖。 每次孤子完成一次環(huán)行，一部分脈沖就會(huì)分裂并進(jìn)入波導(dǎo)。很快，一整列像尖峰一樣的窄脈沖就會(huì)充滿波導(dǎo)，每個(gè)尖峰的時(shí)間間隔都是固定的，即孤子完成一圈的時(shí)間。尖峰對(duì)應(yīng)一組均勻間隔的頻率，形成頻率梳的刻度標(biāo)記或“齒”。 這種產(chǎn)生微梳的方法雖然有效，但只能產(chǎn)生以泵浦激光頻率為中心的一系列頻率的梳子。為了克服這一限制，NIST研究人員Grégory Moille和Kartik Srinivasan與新西蘭奧克蘭大學(xué)Miro Erkintalo和多德-沃爾斯光子與量子技術(shù)中心領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國際研究小組合作，從理論上預(yù)測(cè)并實(shí)驗(yàn)證明了產(chǎn)生孤子微梳的新過程。 新方法不是使用單一激光，而是使用兩個(gè)泵浦激光器，每個(gè)激光器以不同頻率發(fā)光。兩個(gè)頻率之間的復(fù)雜相互作用產(chǎn)生了一個(gè)孤子，其中心頻率恰好位于兩個(gè)激光顏色之間。 該方法使科學(xué)家能夠在不受泵浦激光器限制的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生具有新特性的梳狀結(jié)構(gòu)。通過產(chǎn)生與注入的泵浦激光器不同頻率范圍的梳狀結(jié)構(gòu)，該裝置可以使科學(xué)家研究生物化合物的組成。 除了這一實(shí)際優(yōu)勢(shì)外，這種新型微梳（稱為參數(shù)驅(qū)動(dòng)微梳）的物理學(xué)基礎(chǔ)可能會(huì)導(dǎo)致其他重要進(jìn)展。一個(gè)例子是微梳單個(gè)齒的噪聲可能得到改善。 在由單束激光產(chǎn)生的梳狀結(jié)構(gòu)中，泵浦激光只直接雕刻中央齒。因此，離梳狀結(jié)構(gòu)中心越遠(yuǎn)的齒越寬。這是不可取的，因?yàn)檩^寬的齒不能像較窄的齒那樣精確地測(cè)量頻率。 在新的梳系統(tǒng)中，兩個(gè)泵浦激光器對(duì)每個(gè)齒進(jìn)行整形。根據(jù)理論，這應(yīng)該產(chǎn)生一組寬度相同的齒，從而提高測(cè)量的精度。研究人員現(xiàn)在正在測(cè)試這一理論預(yù)測(cè)是否適用于他們制造的微型梳。 雙激光系統(tǒng)提供了另一個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì)：它產(chǎn)生兩種孤子，可以比作具有正或負(fù)符號(hào)。一個(gè)特定的孤子是負(fù)還是正純粹是隨機(jī)的，因?yàn)樗怯蓛蓚�(gè)激光器之間相互作用的量子特性產(chǎn)生的。 這可能使孤子形成一個(gè)完美的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，它在創(chuàng)建安全的密碼編碼和解決一些統(tǒng)計(jì)和量子問題方面起著關(guān)鍵作用，否則這些問題無法用普通的非量子計(jì)算機(jī)解決。 相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2024-03-frequency-boost-accuracy-timekeeping.html 論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01401-6 關(guān)鍵詞： 頻率梳
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