請問一下光學(xué)頻率梳可以用來做什么呢？

請?jiān)囅胍幌?，在你一眨眼的功夫，一束光線就可以完成上千萬億次（101?）的振動(dòng)，如此龐大的數(shù)字里面蘊(yùn)含著機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，歸功于激光物理學(xué)近幾十年來的革命性進(jìn)步，科學(xué)家得以開發(fā)出一種新型的“光尺”，成功地釋放了這種超高頻率的巨大潛力，并使其成為未來在極高精準(zhǔn)度下測量頻率與時(shí)間的核心技術(shù)。這里，我們談?wù)摰谋闶菢s獲2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的——光學(xué)頻率梳。

光學(xué)頻率梳，就像生活中梳子一樣，在光譜上具有數(shù)萬甚至數(shù)十萬條緊密的“刻度線”，即離散的，均勻頻率間隔，具有相干穩(wěn)定相位關(guān)系的梳齒。

光學(xué)頻率梳一般是由鎖模激光器產(chǎn)生，每個(gè)梳齒代表了單一頻率振動(dòng)的激光縱模，它們在空間中互相重疊且相位同步，產(chǎn)生所謂的“拍頻”（beat note）現(xiàn)象，即光脈沖。

愈多條相位同步、頻率不同的波疊加時(shí)，尖峰的強(qiáng)度愈大，產(chǎn)生的拍頻也就愈短，往往可以達(dá)到飛秒（fs）的量級。

以音樂做比喻更便于理解：對于每個(gè)單色光而言，它們像是只有一根弦的小提琴，只能奏出單一音調(diào)，所以要演奏一首簡單的曲子，需要費(fèi)力地校準(zhǔn)每一把；相較之下，使用光學(xué)頻率梳，一個(gè)操作者就能使無數(shù)的單色光同時(shí)合鳴，模擬整個(gè)交響樂團(tuán)。

圖1：光學(xué)頻率梳示意圖，其頻率組成為fn=nfr+f0，其中fr-1是在鎖模激光器中的往返時(shí)間。

光學(xué)頻率梳對科技帶來的變革，某種意義上就如同100年前發(fā)明示波器一樣。示波器讓信號(hào)可以被直接顯示出來，宣告了現(xiàn)代電子技術(shù)的來臨，催生了從電視機(jī)到智能手機(jī)等各式各樣的產(chǎn)品。不過，光的振動(dòng)要比最快的示波器所能顯示的還要快一萬倍，但藉由光學(xué)頻率梳這個(gè)橋梁，人們有能力將準(zhǔn)確的微波測量轉(zhuǎn)換成同樣精準(zhǔn)的光波測量。于是，眾多潛在的應(yīng)用正在慢慢浮現(xiàn)。

讓世界重新對時(shí)

光學(xué)頻率梳的發(fā)明對原子鐘測時(shí)來說是革命性的。光學(xué)原子鐘是以原子的自然振動(dòng)來測算時(shí)間的，原理一如祖父鐘中鐘擺的擺動(dòng)。

通常這些原子每秒振蕩約五百萬億次，比基于微波的標(biāo)準(zhǔn)原子鐘頻率高得多，以至于需要極其復(fù)雜和多層的電子線路來計(jì)數(shù)，大大削弱了精準(zhǔn)度。

而由于光學(xué)頻率梳的性質(zhì)，它的梳齒就像時(shí)鐘的齒輪一樣，將高速光學(xué)頻率通過拍頻頻率差轉(zhuǎn)換更低頻的微波信號(hào)，簡化了測量所需的人力物力，讓人們更簡單地實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。

為了讓這些新型光學(xué)原子鐘用于對秒的重新定義，NIST的研究團(tuán)隊(duì)分別在光纖和自由空間鏈路的兩端，以創(chuàng)紀(jì)錄的精度比較了三種世界最先進(jìn)的原子鐘。

NIST的物理學(xué)家David Hume說道：“我們的測量結(jié)果不管是在光纖或者自由空間里，都重新定義了新的最佳紀(jì)錄，即準(zhǔn)確度比迄今為止使用不同原子鐘進(jìn)行的任何比較都精確10倍”。

這樣測量確實(shí)極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槿N類型的原子以截然不同的頻率“滴答作響”，并且需要實(shí)驗(yàn)組件以極高的精度運(yùn)作，尤其是自由光鏈路要求尖端的激光設(shè)計(jì)，而光學(xué)頻率梳則是其中的關(guān)鍵核心技術(shù)。

圖2：NIST研究人員通過光纖和自由空間鏈路精確比較了來自三個(gè)光學(xué)原子鐘（Yb/Al+ Mg+/Sr）的信號(hào)。

圖源：N. Hanacek/NIST

這樣的測時(shí)系統(tǒng)在從股票交易到導(dǎo)航等不同領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用。比如，全球定位系統(tǒng) (GPS) 衛(wèi)星和地面接收器來回發(fā)送無線電信號(hào)，并使用這些信號(hào)的時(shí)間差來定位用戶的位置。科學(xué)家們希望將來在導(dǎo)航衛(wèi)星上能夠安裝光學(xué)原子鐘，提升定位系統(tǒng)性能，達(dá)到厘米級別的精準(zhǔn)度。

尋找類地行星

我們知道，與其圍繞運(yùn)動(dòng)的恒星相比，任何行星都是極其微弱的光源。

舉個(gè)例子，像太陽這類恒星的亮度大約是太陽系內(nèi)其他任何行星反射光的十億倍左右。為了尋找圍繞遙遠(yuǎn)恒星運(yùn)行的類地行星，天文學(xué)家需要借助間接的探測辦法。

比如，恒星的內(nèi)核發(fā)射白光，但當(dāng)它們到達(dá)地球大氣后，會(huì)被其中某些具有窄色帶吸收峰的元素改變光譜性質(zhì)。

天文學(xué)家則是分析和利用這種特殊“指紋”的周期性變化，即恒星光譜隨時(shí)間的微小區(qū)別，來探索該恒星系中隱藏的行星，因?yàn)檫@些光譜的變化正是由于恒星被一顆看不見的軌道行星的引力拉來拉去造成的。而這種變化是十分微妙的，并且測量常常受到用于校準(zhǔn)光譜儀的頻率標(biāo)準(zhǔn)的限制。

在過去的20年里，NIST研究人員引領(lǐng)了光學(xué)頻率梳的發(fā)展。其交付到德克薩斯州霍比-埃伯利望遠(yuǎn)鏡（Hobby-Eberly）望遠(yuǎn)鏡的“天文梳（astrocomb）”確保了恒星光的分析精度，并實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的恒星光測量。

“根據(jù)探測器光譜儀量身定制的光學(xué)頻率梳立即讓我們在賓夕法尼亞州立大學(xué)的同事能夠進(jìn)行他們之前無法進(jìn)行的測量，”NIST的研究人員Scott Diddams說?！斑@些改進(jìn)的工具應(yīng)該能讓我們在銀河系中無處不在的恒星周圍找到人類宜居的行星?！?

文章中收集的數(shù)據(jù)表明，“天文梳”將有可能探測到類似地球質(zhì)量的行星對恒星光譜的改變，并且至少比以前的技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的性能要好10倍。

圖3：類地行星探測的實(shí)驗(yàn)裝備，由電光“天文梳”，望遠(yuǎn)鏡和光譜分析儀組成。

圖源：NIST

量子極限下的精確距離測量

自從發(fā)明后不久，光學(xué)頻率梳就被用在實(shí)現(xiàn)高度精確的距離測量。在以前，人們使用雷達(dá)無線電波來確定距離，根據(jù)信號(hào)的脈沖寬度，它的精確度從幾厘米到幾米不等。在最近，來自頻率梳的光脈沖因?yàn)楣庾V范圍很廣而比無線電波短得多，有可能使測量精確達(dá)到納米范圍，甚至亞納米范圍——即使當(dāng)探測器距離目標(biāo)數(shù)公里之外時(shí)亦是如此。

一般來說，使用光學(xué)頻率梳進(jìn)行距離測量需要兩個(gè)頻率梳，它們的激光脈沖緊密相干協(xié)調(diào)。在時(shí)域上，雙光學(xué)頻率梳類似于游標(biāo)測尺，兩個(gè)頻率梳激光器具有一定偏差的脈沖重復(fù)周期，基于時(shí)間飛行法進(jìn)行距離測量時(shí)，主頻率梳激光器為主測尺，副的則為游標(biāo)尺，而游標(biāo)尺可實(shí)現(xiàn)小數(shù)位的精確測量。

然而，這種高精度帶來的限制與探測器需要接收的光子個(gè)數(shù)有關(guān)，檢測到的光子越多意味著發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)快速變化的能力越強(qiáng)。

根據(jù)雙頻率梳的設(shè)計(jì)原理，探測器只能記錄那些與副頻率梳激光器的脈沖同時(shí)到達(dá)的，但來自于主光頻梳激光器的光子。

由于兩個(gè)頻率梳激光器重復(fù)周期的輕微偏移，這些脈沖重疊之間存在相對較長的“死區(qū)時(shí)間”，到達(dá)重疊之間的任何光子都丟失了信息，對測量工作毫無用處，這使得一些目標(biāo)很難被看到。

NIST的研究人員最近創(chuàng)新地提出了一種使用頻率梳技術(shù)的新方法——“時(shí)間可編程頻率梳”，即通過操縱光脈沖的時(shí)域性質(zhì)可以幫助光學(xué)頻率梳在比以往更廣泛的條件下進(jìn)行精確測量。

“我們基本上打破了要求頻率梳使用固定脈沖間隔進(jìn)行精確操作的規(guī)則。”該論文的作者之一，NIST的研究人員Laura Sinclair解釋道：“通過改變我們控制頻率梳的方式，我們已經(jīng)擺脫了必須做出的權(quán)衡取舍，所以即使現(xiàn)在我們的系統(tǒng)只有一點(diǎn)點(diǎn)光也可以獲得高精度的結(jié)果?！?

在“量子極限”下進(jìn)行測量，在物理學(xué)家們的語境下意味著他們不浪費(fèi)每一個(gè)攜帶有用信息的可用光子。但迄今為止，頻率梳技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到該量子極限。

“頻率梳通常用于以極高的精度測量距離和時(shí)間等物理量，但大多數(shù)測量技術(shù)浪費(fèi)了絕大部分的光，99.99%或更多，”辛克萊說?！跋喾?，我們已經(jīng)證明，通過使用時(shí)間可編程頻率梳，是可以消除這種浪費(fèi)的。”

在文章中，該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出控制副光頻梳脈沖的方案。也就是說，通過數(shù)字控制電路技術(shù)，使得副光頻梳脈沖“鎖定”返回的主光頻梳脈沖信號(hào)——兩個(gè)脈沖重疊，進(jìn)而消除了以前的采樣方法產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間。

盡管脈沖持續(xù)時(shí)間相對較短，僅為它們之間死區(qū)時(shí)間的0.01%，如同“大海撈針”，但仍然可以利用高精度的數(shù)字控制電路調(diào)整脈沖輸出，最終讓兩個(gè)脈沖重新對齊。

圖4：使用雙頻率梳進(jìn)行距離測量的原理示意圖。

來自其中一個(gè)頻率梳激光器（F1）的脈沖，就像雷達(dá)使用無線電波一樣，進(jìn)入測距干涉儀后被遠(yuǎn)處的物體反射回來，而另一個(gè)頻率梳激光器（F2）在重復(fù)周期上略有偏移，用于測量經(jīng)干涉儀光頻梳的相移，從而實(shí)現(xiàn)快速、大量程和高精度的絕對距離測量。最下面是利用數(shù)字控制電路，調(diào)整F2的脈沖輸出，達(dá)到使兩者脈沖重疊的效果。

圖源：B. Hayes/NIST

與標(biāo)準(zhǔn)雙梳測距相比，該項(xiàng)工作所需的接收光子功率顯著減少了37 dB，換句話說，只需要以前所需光子的0.02%左右。這項(xiàng)創(chuàng)新甚至可以實(shí)現(xiàn)未來對遙遠(yuǎn)衛(wèi)星的納米級測量，具有無限的潛力。

探測溫室氣體

不同的原子和分子可以通過它們各自迥異的吸收光譜來識(shí)別。由于光學(xué)頻率梳在短脈沖中產(chǎn)生數(shù)百萬個(gè)頻率，因此可用于快速，高精度，寬范圍地探測各種分子和原子的含量。

但是，空氣中主要的三種溫室氣體，一氧化二氮（N?O），二氧化碳（CO?），水蒸氣和主要的兩種空氣污染物臭氧（O?）和一氧化碳（CO），它們的光譜“指紋”大部分集中在中紅外波段內(nèi)，目前缺少有效的光頻梳激光器。

NIST的研究人員為了獲得中紅外的光頻梳激光器，使用了一種特殊設(shè)計(jì)的晶體材料——周期性極化鈮酸鋰（PPLN），從而實(shí)現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換。

該項(xiàng)工作中的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將來自一個(gè)近紅外的光頻梳分成兩路，使用特殊的光纖和放大器對每個(gè)分路的光譜進(jìn)行不同程度的展寬和偏移并提高功率，然后在晶體中重新組合這兩個(gè)分路。這樣產(chǎn)生的較低頻率（較長波長）的中紅外光，就是兩個(gè)分路中頻率之間的差值。

研究人員在長度為600米和2公里的往返路徑上演示了該探測系統(tǒng)。來自兩個(gè)光學(xué)頻率梳的光在光纖中合束，并從一個(gè)位于NIST大樓頂部的望遠(yuǎn)鏡向外傳輸。

其中一束被發(fā)送到位于另一座建筑物陽臺(tái)上的反射器上，另外一束被發(fā)送到附近山上的反射器上。通過收集分析返回的光頻梳性質(zhì)，以識(shí)別空氣中的不同溫室氣體。

醫(yī)療診斷

在寒冷冬日的呼氣中，您會(huì)看到水蒸氣從嘴里冒出來。請注意，如果使用光學(xué)頻率梳來分析您的呼吸氣體成分，可能1000多種微量化合物就會(huì)被檢測出來，其中一些化合物可提供疾病的早期預(yù)警信號(hào)。

由NIST和實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所（JILA）的研究人員Jun Ye領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)展示了一種即時(shí)識(shí)別呼吸中不同微量成分的光學(xué)技術(shù)，有可能成為一種快速、低成本的疾病篩查工具。

“想象如果能夠一次性分析出一個(gè)人呼吸中所有主要生物標(biāo)志物的潛力是令人興奮的，” Jun Ye說：“例如，一氧化氮可以指示哮喘，但它也會(huì)與許多其他肺部疾病一起出現(xiàn)在呼吸中，包括囊性纖維化和支氣管擴(kuò)張癥。

但是，假設(shè)我們同時(shí)監(jiān)測一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）、過氧化氫（H?O?）、亞硝酸鹽（NO??）、硝酸鹽（NO3?）、戊烷（C?H??）和乙烷（C?H?），這些都是哮喘的重要生物標(biāo)志物，我們便可以更加確定地診斷出這種重要疾病?！?/p>

該實(shí)驗(yàn)裝置通過測量光學(xué)頻率梳來回穿過裝入鏡面玻璃管中的呼吸樣本后的光譜參數(shù)來確認(rèn)化學(xué)成分，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)萬億分之一水平的檢測靈敏度。

“小，快，靈”的集成光學(xué)頻率梳

為了更加便捷地利用光學(xué)頻率梳的優(yōu)勢，人們把目光投向了集成光路技術(shù)。在之前，傳統(tǒng)的集成光學(xué)里相對單一的材料選擇嚴(yán)重制約了光子芯片的性能。但得益于集成技術(shù)的不斷進(jìn)步，光學(xué)頻率梳這一復(fù)雜的多材料體系如今能夠在晶圓級的光子芯片上得以實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)著其從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界的巨大跨越。

當(dāng)前集成光學(xué)頻率梳器件分為兩類：基于III-V族半導(dǎo)體激光器的集成半導(dǎo)體鎖模激光器和基于低損耗高非線性材料的集成非線性光頻梳器件。這兩者的根本區(qū)別在于前者使用直接電泵浦，而后者是通過光泵浦實(shí)現(xiàn)的。

目前，該技術(shù)已經(jīng)在降低系統(tǒng)尺寸，重量，功耗和成本上取得了引人注目的成就。通過使用現(xiàn)代制造設(shè)備，即依托先進(jìn)光刻和微納制造工藝，集成光學(xué)頻率梳在各項(xiàng)性能上與基于傳統(tǒng)材料或光纖的頻率梳已無明顯差距。

圖7：集成光頻合成器系統(tǒng)。該系統(tǒng)由磷化銦。砷化鎵、硅和氮化硅等多材料集成而來，不同的材料體系在集成光路上起著不同的作用，進(jìn)而在系統(tǒng)層面帶來最優(yōu)的性能。 圖源：Nature Photonics 16, no. 2 (2022): 95-108

可以想象，在不久的將來，晶圓級集成光學(xué)頻率梳的商業(yè)產(chǎn)品將隨處可見。比如，在數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算的密集波分復(fù)用光互連網(wǎng)絡(luò)中，光學(xué)頻率梳，光學(xué)收發(fā)機(jī)和微電子技術(shù)的集成將使數(shù)據(jù)鏈路具備前所未有的帶寬，效率和覆蓋范圍。再如，在未來自動(dòng)駕駛中的激光雷達(dá)技術(shù)，通過集成光學(xué)頻率梳所實(shí)現(xiàn)的并行雷達(dá)體系，將大大提升系統(tǒng)的采樣速度，與此同時(shí)降低硬件成本，從而解決該領(lǐng)域長期以來在探測方面的瓶頸。

審核編輯：劉清