请问一下光学频率梳可以用来做什么呢？

请试想一下，在你一眨眼的功夫，一束光线就可以完成上千万亿次（10¹⁵）的振动，如此庞大的数字里面蕴含着机遇与挑战。

现在，归功于激光物理学近几十年来的革命性进步，科学家得以开发出一种新型的“光尺”，成功地释放了这种超高频率的巨大潜力，并使其成为未来在极高精准度下测量频率与时间的核心技术。这里，我们谈论的便是荣获2005年诺贝尔物理学奖的——光学频率梳。  

光学频率梳，就像生活中梳子一样，在光谱上具有数万甚至数十万条紧密的“刻度线”，即离散的，均匀频率间隔，具有相干稳定相位关系的梳齿。

光学频率梳一般是由锁模激光器产生，每个梳齿代表了单一频率振动的激光纵模，它们在空间中互相重叠且相位同步，产生所谓的“拍频”（beat note）现象，即光脉冲。

愈多条相位同步、频率不同的波叠加时，尖峰的强度愈大，产生的拍频也就愈短，往往可以达到飞秒（fs）的量级。  

以音乐做比喻更便于理解：对于每个单色光而言，它们像是只有一根弦的小提琴，只能奏出单一音调，所以要演奏一首简单的曲子，需要费力地校准每一把；相较之下，使用光学频率梳，一个操作者就能使无数的单色光同时合鸣，模拟整个交响乐团。

图1：光学频率梳示意图，其频率组成为fn=nfr+f0，其中fr-1是在锁模激光器中的往返时间。

光学频率梳对科技带来的变革，某种意义上就如同100年前发明示波器一样。示波器让信号可以被直接显示出来，宣告了现代电子技术的来临，催生了从电视机到智能手机等各式各样的产品。不过，光的振动要比最快的示波器所能显示的还要快一万倍，但藉由光学频率梳这个桥梁，人们有能力将准确的微波测量转换成同样精准的光波测量。于是，众多潜在的应用正在慢慢浮现。

让世界重新对时

光学频率梳的发明对原子钟测时来说是革命性的。光学原子钟是以原子的自然振动来测算时间的，原理一如祖父钟中钟摆的摆动。

通常这些原子每秒振荡约五百万亿次，比基于微波的标准原子钟频率高得多，以至于需要极其复杂和多层的电子线路来计数，大大削弱了精准度。

而由于光学频率梳的性质，它的梳齿就像时钟的齿轮一样，将高速光学频率通过拍频频率差转换更低频的微波信号，简化了测量所需的人力物力，让人们更简单地实现更快、更准确的计时系统。

为了让这些新型光学原子钟用于对秒的重新定义，NIST的研究团队分别在光纤和自由空间链路的两端，以创纪录的精度比较了三种世界最先进的原子钟。  

NIST的物理学家David Hume说道：“我们的测量结果不管是在光纤或者自由空间里，都重新定义了新的最佳纪录，即准确度比迄今为止使用不同原子钟进行的任何比较都精确10倍”。

这样测量确实极具挑战性，因为三种类型的原子以截然不同的频率“滴答作响”，并且需要实验组件以极高的精度运作，尤其是自由光链路要求尖端的激光设计，而光学频率梳则是其中的关键核心技术。

图2：NIST研究人员通过光纤和自由空间链路精确比较了来自三个光学原子钟（Yb/Al+ Mg+/Sr）的信号。

图源：N. Hanacek/NIST

这样的测时系统在从股票交易到导航等不同领域中起着至关重要的作用。比如，全球定位系统 (GPS) 卫星和地面接收器来回发送无线电信号，并使用这些信号的时间差来定位用户的位置。科学家们希望将来在导航卫星上能够安装光学原子钟，提升定位系统性能，达到厘米级别的精准度。    

寻找类地行星

我们知道，与其围绕运动的恒星相比，任何行星都是极其微弱的光源。  

举个例子，像太阳这类恒星的亮度大约是太阳系内其他任何行星反射光的十亿倍左右。为了寻找围绕遥远恒星运行的类地行星，天文学家需要借助间接的探测办法。

比如，恒星的内核发射白光，但当它们到达地球大气后，会被其中某些具有窄色带吸收峰的元素改变光谱性质。

天文学家则是分析和利用这种特殊“指纹”的周期性变化，即恒星光谱随时间的微小区别，来探索该恒星系中隐藏的行星，因为这些光谱的变化正是由于恒星被一颗看不见的轨道行星的引力拉来拉去造成的。而这种变化是十分微妙的，并且测量常常受到用于校准光谱仪的频率标准的限制。  

在过去的20年里，NIST研究人员引领了光学频率梳的发展。其交付到德克萨斯州霍比-埃伯利望远镜（Hobby-Eberly）望远镜的“天文梳（astrocomb）”确保了恒星光的分析精度，并实现了创纪录的恒星光测量。  

“根据探测器光谱仪量身定制的光学频率梳立即让我们在宾夕法尼亚州立大学的同事能够进行他们之前无法进行的测量，”NIST的研究人员Scott Diddams说。“这些改进的工具应该能让我们在银河系中无处不在的恒星周围找到人类宜居的行星。”  

文章中收集的数据表明，“天文梳”将有可能探测到类似地球质量的行星对恒星光谱的改变，并且至少比以前的技术中实现的性能要好10倍。

图3：类地行星探测的实验装备，由电光“天文梳”，望远镜和光谱分析仪组成。

图源：NIST

量子极限下的精确距离测量

自从发明后不久，光学频率梳就被用在实现高度精确的距离测量。在以前，人们使用雷达无线电波来确定距离，根据信号的脉冲宽度，它的精确度从几厘米到几米不等。在最近，来自频率梳的光脉冲因为光谱范围很广而比无线电波短得多，有可能使测量精确达到纳米范围，甚至亚纳米范围——即使当探测器距离目标数公里之外时亦是如此。  

一般来说，使用光学频率梳进行距离测量需要两个频率梳，它们的激光脉冲紧密相干协调。在时域上，双光学频率梳类似于游标测尺，两个频率梳激光器具有一定偏差的脉冲重复周期，基于时间飞行法进行距离测量时，主频率梳激光器为主测尺，副的则为游标尺，而游标尺可实现小数位的精确测量。  

然而，这种高精度带来的限制与探测器需要接收的光子个数有关，检测到的光子越多意味着发现远距离目标快速变化的能力越强。

根据双频率梳的设计原理，探测器只能记录那些与副频率梳激光器的脉冲同时到达的，但来自于主光频梳激光器的光子。

由于两个频率梳激光器重复周期的轻微偏移，这些脉冲重叠之间存在相对较长的“死区时间”，到达重叠之间的任何光子都丢失了信息，对测量工作毫无用处，这使得一些目标很难被看到。  

NIST的研究人员最近创新地提出了一种使用频率梳技术的新方法——“时间可编程频率梳”，即通过操纵光脉冲的时域性质可以帮助光学频率梳在比以往更广泛的条件下进行精确测量。  

“我们基本上打破了要求频率梳使用固定脉冲间隔进行精确操作的规则。”该论文的作者之一，NIST的研究人员Laura Sinclair解释道：“通过改变我们控制频率梳的方式，我们已经摆脱了必须做出的权衡取舍，所以即使现在我们的系统只有一点点光也可以获得高精度的结果。”  

在“量子极限”下进行测量，在物理学家们的语境下意味着他们不浪费每一个携带有用信息的可用光子。但迄今为止，频率梳技术还远未达到该量子极限。  

“频率梳通常用于以极高的精度测量距离和时间等物理量，但大多数测量技术浪费了绝大部分的光，99.99%或更多，”辛克莱说。“相反，我们已经证明，通过使用时间可编程频率梳，是可以消除这种浪费的。”  

在文章中，该研究团队创新性地提出控制副光频梳脉冲的方案。也就是说，通过数字控制电路技术，使得副光频梳脉冲“锁定”返回的主光频梳脉冲信号——两个脉冲重叠，进而消除了以前的采样方法产生的死区时间。

尽管脉冲持续时间相对较短，仅为它们之间死区时间的0.01%，如同“大海捞针”，但仍然可以利用高精度的数字控制电路调整脉冲输出，最终让两个脉冲重新对齐。

图4：使用双频率梳进行距离测量的原理示意图。

来自其中一个频率梳激光器（F1）的脉冲，就像雷达使用无线电波一样，进入测距干涉仪后被远处的物体反射回来，而另一个频率梳激光器（F2）在重复周期上略有偏移，用于测量经干涉仪光频梳的相移，从而实现快速、大量程和高精度的绝对距离测量。最下面是利用数字控制电路，调整F2的脉冲输出，达到使两者脉冲重叠的效果。

图源：B. Hayes/NIST

与标准双梳测距相比，该项工作所需的接收光子功率显著减少了37 dB，换句话说，只需要以前所需光子的0.02%左右。这项创新甚至可以实现未来对遥远卫星的纳米级测量，具有无限的潜力。    

探测温室气体

不同的原子和分子可以通过它们各自迥异的吸收光谱来识别。由于光学频率梳在短脉冲中产生数百万个频率，因此可用于快速，高精度，宽范围地探测各种分子和原子的含量。

但是，空气中主要的三种温室气体，一氧化二氮（N₂O），二氧化碳（CO₂），水蒸气和主要的两种空气污染物臭氧（O₃）和一氧化碳（CO），它们的光谱“指纹”大部分集中在中红外波段内，目前缺少有效的光频梳激光器。  

NIST的研究人员为了获得中红外的光频梳激光器，使用了一种特殊设计的晶体材料——周期性极化铌酸锂（PPLN），从而实现了波长转换。

该项工作中的实验平台将来自一个近红外的光频梳分成两路，使用特殊的光纤和放大器对每个分路的光谱进行不同程度的展宽和偏移并提高功率，然后在晶体中重新组合这两个分路。这样产生的较低频率（较长波长）的中红外光，就是两个分路中频率之间的差值。  

研究人员在长度为600米和2公里的往返路径上演示了该探测系统。来自两个光学频率梳的光在光纤中合束，并从一个位于NIST大楼顶部的望远镜向外传输。

其中一束被发送到位于另一座建筑物阳台上的反射器上，另外一束被发送到附近山上的反射器上。通过收集分析返回的光频梳性质，以识别空气中的不同温室气体。    

医疗诊断

在寒冷冬日的呼气中，您会看到水蒸气从嘴里冒出来。请注意，如果使用光学频率梳来分析您的呼吸气体成分，可能1000多种微量化合物就会被检测出来，其中一些化合物可提供疾病的早期预警信号。  

由NIST和实验天体物理联合研究所（JILA）的研究人员Jun Ye领导的团队展示了一种即时识别呼吸中不同微量成分的光学技术，有可能成为一种快速、低成本的疾病筛查工具。  

“想象如果能够一次性分析出一个人呼吸中所有主要生物标志物的潜力是令人兴奋的，” Jun Ye说：“例如，一氧化氮可以指示哮喘，但它也会与许多其他肺部疾病一起出现在呼吸中，包括囊性纤维化和支气管扩张症。

但是，假设我们同时监测一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）、过氧化氢（H₂O₂）、亚硝酸盐（NO₂⁻）、硝酸盐（NO3⁻）、戊烷（C₅H₁₂）和乙烷（C₂H₆），这些都是哮喘的重要生物标志物，我们便可以更加确定地诊断出这种重要疾病。”

该实验装置通过测量光学频率梳来回穿过装入镜面玻璃管中的呼吸样本后的光谱参数来确认化学成分，以实现高达万亿分之一水平的检测灵敏度。    

“小，快，灵”的集成光学频率梳

为了更加便捷地利用光学频率梳的优势，人们把目光投向了集成光路技术。在之前，传统的集成光学里相对单一的材料选择严重制约了光子芯片的性能。但得益于集成技术的不断进步，光学频率梳这一复杂的多材料体系如今能够在晶圆级的光子芯片上得以实现，推动着其从实验室到产业界的巨大跨越。

当前集成光学频率梳器件分为两类：基于III-V族半导体激光器的集成半导体锁模激光器和基于低损耗高非线性材料的集成非线性光频梳器件。这两者的根本区别在于前者使用直接电泵浦，而后者是通过光泵浦实现的。

目前，该技术已经在降低系统尺寸，重量，功耗和成本上取得了引人注目的成就。通过使用现代制造设备，即依托先进光刻和微纳制造工艺，集成光学频率梳在各项性能上与基于传统材料或光纤的频率梳已无明显差距。

图7：集成光频合成器系统。该系统由磷化铟。砷化镓、硅和氮化硅等多材料集成而来，不同的材料体系在集成光路上起着不同的作用，进而在系统层面带来最优的性能。 图源：Nature Photonics 16, no. 2 (2022): 95-108

可以想象，在不久的将来，晶圆级集成光学频率梳的商业产品将随处可见。比如，在数据中心和高性能计算的密集波分复用光互连网络中，光学频率梳，光学收发机和微电子技术的集成将使数据链路具备前所未有的带宽，效率和覆盖范围。再如，在未来自动驾驶中的激光雷达技术，通过集成光学频率梳所实现的并行雷达体系，将大大提升系统的采样速度，与此同时降低硬件成本，从而解决该领域长期以来在探测方面的瓶颈。

审核编辑：刘清