光學頻率梳的工作原理及其應用

光學頻率梳是一種特殊的激光器，就像一把光的尺子。它們能快速準確地測量光的精確頻率，從不可見的紅外光和紫外光到可見的紅光、黃光、綠光和藍光。

這些獲得諾貝爾獎的設備填補了一項重要的技術(shù)空白。光學頻率梳使科學家能夠像測量無線電波一樣測量和控制光波。有了光頻梳，時鐘、計算機和通信等采用無線電和微波頻率的技術(shù)現(xiàn)在可以與振蕩頻率高出 10000 倍的光波無縫連接。

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

通過簡單的測量，光頻梳改變了科學。那么，梳子能做什么呢？很多，而且可能性還在不斷擴大。

頻率梳的工作原理

頻率梳通過測量一列連續(xù)光脈沖的重復率來測量未知的光學頻率--這屬于較大的、易于測量的無線電頻率范圍。

光包含多種顏色，它們以波浪的形式傳播。從不可見的紅外光和紫外光到紅色、藍色或黃色的可見光，每種顏色的光都有相應的頻率，或者說每秒鐘經(jīng)過一個固定點的波峰數(shù)。

無線電波和微波也以光速傳播，但它們的波峰相距更遠，因此現(xiàn)代電子設備可以輕松地對它們進行計數(shù)和跟蹤。

光學頻率梳會發(fā)出一連串非常短暫、間隔很近的光脈沖，其中包含一百萬種不同的顏色，從不透光的紅外光到可見光，直至紫外光譜。

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

光學頻率梳的應用

計時

光學頻率梳在原子鐘和計時方面具有革命性的意義。光學原子鐘通過計算原子的自然振蕩來標記時間的流逝，就像老爺鐘計算鐘擺的擺動一樣。這些原子每秒振蕩約 500000 億次，比標準微波原子鐘的頻率高得多。目前用于測量微波原子鐘頻率的電子系統(tǒng)根本無法計算光學 "滴答 "聲。

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

有了這些在電子設備、微波工具和光學原子鐘之間傳輸精確信號的 “齒輪”，科學家們就可以利用這些功能強大的新時鐘來建立更快、更精確的計時系統(tǒng)。光學原子鐘最終可能會重新定義秒。

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

為了將這些新時鐘用于國家和全球計時，科學家需要能夠比較來自不同距離的時鐘信號。光學頻率梳也有助于實現(xiàn)這一目標。NIST 和 JILA（NIST 和 CU Boulder 的聯(lián)合研究所）使用激光雷達在空中發(fā)送時間信號，對兩種不同的原子鐘進行比較。