一种新型频率梳可进一步提高计时精度

基于芯片的设备被称为频率梳，它以无与伦比的精度测量光波的频率，彻底改变了计时、太阳系外行星的探测和高速光通信。

现在，国家标准与技术研究所（NIST）的科学家及其合作者开发了一种新的梳子制造方法，有望提高其已经非常精确的精度，并允许它们测量以前无法进入的一系列频率范围内的光。扩展范围将使频率梳能够探测细胞和其他生物材料。

研究人员在《自然·光子学》杂志上描述了他们的工作。该团队包括来自比利时布鲁塞尔自由大学的François Leo及其同事、法国第戎勃艮第大学的Julien Fatome，以及来自联合量子研究所的科学家，该研究所是NIST和马里兰大学的研究合作伙伴。

图片:搜狗截图20240315092624.png

这些新设备是在一个小玻璃芯片上制造的，它们的工作方式与之前的基于芯片的频率梳（也称为微梳）完全不同。

频率梳可以作为光的标尺。就像普通尺子上均匀间隔的刻度标记可以测量物体的长度一样，微梳上均匀间隔的频率尖峰可以测量光波的振荡或频率。

研究人员通常使用三个要素来构建微型梳子：一个被称为泵浦激光器的单激光器；一个微小的环形谐振腔，最重要的元件；以及一个在两者之间传输光的微型波导。注入波导的激光进入谐振腔并在环上传播。通过仔细调整激光器的频率，环内的光可以变成孤子——一种在移动时保持其形状的孤波脉冲。

每次孤子完成一次环行，一部分脉冲就会分裂并进入波导。很快，一整列像尖峰一样的窄脉冲就会充满波导，每个尖峰的时间间隔都是固定的，即孤子完成一圈的时间。尖峰对应一组均匀间隔的频率，形成频率梳的刻度标记或“齿”。

这种产生微梳的方法虽然有效，但只能产生以泵浦激光频率为中心的一系列频率的梳子。为了克服这一限制，NIST研究人员Grégory Moille和Kartik Srinivasan与新西兰奥克兰大学Miro Erkintalo和多德-沃尔斯光子与量子技术中心领导的一个国际研究小组合作，从理论上预测并实验证明了产生孤子微梳的新过程。

新方法不是使用单一激光，而是使用两个泵浦激光器，每个激光器以不同频率发光。两个频率之间的复杂相互作用产生了一个孤子，其中心频率恰好位于两个激光颜色之间。

该方法使科学家能够在不受泵浦激光器限制的频率范围内产生具有新特性的梳状结构。通过产生与注入的泵浦激光器不同频率范围的梳状结构，该装置可以使科学家研究生物化合物的组成。

除了这一实际优势外，这种新型微梳（称为参数驱动微梳）的物理学基础可能会导致其他重要进展。一个例子是微梳单个齿的噪声可能得到改善。

在由单束激光产生的梳状结构中，泵浦激光只直接雕刻中央齿。因此，离梳状结构中心越远的齿越宽。这是不可取的，因为较宽的齿不能像较窄的齿那样精确地测量频率。

在新的梳系统中，两个泵浦激光器对每个齿进行整形。根据理论，这应该产生一组宽度相同的齿，从而提高测量的精度。研究人员现在正在测试这一理论预测是否适用于他们制造的微型梳。

双激光系统提供了另一个潜在的优势：它产生两种孤子，可以比作具有正或负符号。一个特定的孤子是负还是正纯粹是随机的，因为它是由两个激光器之间相互作用的量子特性产生的。

这可能使孤子形成一个完美的随机数发生器，它在创建安全的密码编码和解决一些统计和量子问题方面起着关键作用，否则这些问题无法用普通的非量子计算机解决。

相关链接：https://phys.org/news/2024-03-frequency-boost-accuracy-timekeeping.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01401-6