光学频率梳的工作原理及其应用

光学频率梳是一种特殊的激光器，就像一把光的尺子。它们能快速准确地测量光的精确频率，从不可见的红外光和紫外光到可见的红光、黄光、绿光和蓝光。

这些获得诺贝尔奖的设备填补了一项重要的技术空白。光学频率梳使科学家能够像测量无线电波一样测量和控制光波。有了光频梳，时钟、计算机和通信等采用无线电和微波频率的技术现在可以与振荡频率高出 10000 倍的光波无缝连接。

20 世纪 90 年代末，NIST 的科学家们开始研究更好的光学原子钟，光频梳就是其中的一部分。如今，NIST 的科学家已经站在了推动这些工具发展的最前沿，他们发现这些工具的用途已经不仅仅局限于计时。

通过简单的测量，光频梳改变了科学。那么，梳子能做什么呢？很多，而且可能性还在不断扩大。

频率梳的工作原理

频率梳通过测量一列连续光脉冲的重复率来测量未知的光学频率--这属于较大的、易于测量的无线电频率范围。

光包含多种颜色，它们以波浪的形式传播。从不可见的红外光和紫外光到红色、蓝色或黄色的可见光，每种颜色的光都有相应的频率，或者说每秒钟经过一个固定点的波峰数。

无线电波和微波也以光速传播，但它们的波峰相距更远，因此现代电子设备可以轻松地对它们进行计数和跟踪。

光学频率梳会发出一连串非常短暂、间隔很近的光脉冲，其中包含一百万种不同的颜色，从不透光的红外光到可见光，直至紫外光谱。

由于采用了一种名为锁模的技术，每个脉冲中的所有频率都是相位启动，彼此同步。结果就像梳子的齿，将每个频率分离成一个明显的尖峰--这也是该设备名称的由来。这些梳齿的间距非常细，而且完全均匀，它们就像尺子上的刻度，可以极其精确地测量恒星、原子、其他激光器等发出的光。

光学频率梳的应用

计时

光学频率梳在原子钟和计时方面具有革命性的意义。光学原子钟通过计算原子的自然振荡来标记时间的流逝，就像老爷钟计算钟摆的摆动一样。这些原子每秒振荡约 500000 亿次，比标准微波原子钟的频率高得多。目前用于测量微波原子钟频率的电子系统根本无法计算光学 "滴答 "声。

由于光学频率梳的齿间距均匀且精确，因此梳齿的作用就像时钟的齿轮一样，可以接收较快的光学频率，能将较快的光频分解为电子钟和当前原子钟使用的低频微波信号。这样，科学家们就能将光学原子钟的高频 “滴答声 ”与微波钟的低频 “滴答声 ”以及当今计算机和通信系统使用的电子设备联系起来。 

有了这些在电子设备、微波工具和光学原子钟之间传输精确信号的 “齿轮”，科学家们就可以利用这些功能强大的新时钟来建立更快、更精确的计时系统。光学原子钟最终可能会重新定义秒。

光频梳的作用就像时钟中的齿轮，让科学家能够轻松地将高频光学频率转换为低频微波，反之亦然。它们甚至可以帮助科学家在不同的光学频率之间进行转换。

为了将这些新时钟用于国家和全球计时，科学家需要能够比较来自不同距离的时钟信号。光学频率梳也有助于实现这一目标。NIST 和 JILA（NIST 和 CU Boulder 的联合研究所）使用激光雷达在空中发送时间信号，对两种不同的原子钟进行比较。