光學(xué)頻率梳的應(yīng)用

計(jì)時(shí)

光學(xué)頻率梳在原子鐘和計(jì)時(shí)方面具有歷史性的意義。光學(xué)原子鐘通過(guò)計(jì)算原子的自然振蕩來(lái)標(biāo)記時(shí)間的流逝，就像老爺鐘計(jì)算鐘擺的擺動(dòng)一樣。這些原子每秒振蕩約 500000 億次，比標(biāo)準(zhǔn)微波原子鐘的頻率高得多。目前用于測(cè)量微波原子鐘頻率的電子系統(tǒng)根本無(wú)法計(jì)算光學(xué) "滴答 "聲。

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

有了這些在電子設(shè)備、微波工具和光學(xué)原子鐘之間傳輸精確信號(hào)的 “齒輪”，科學(xué)家們就可以利用這些功能強(qiáng)大的新時(shí)鐘來(lái)建立更快、更精確的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。光學(xué)原子鐘最終可能會(huì)重新定義秒。

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

為了將這些新時(shí)鐘用于國(guó)家和全球計(jì)時(shí)，科學(xué)家需要能夠比較來(lái)自不同距離的時(shí)鐘信號(hào)。光學(xué)頻率梳也有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。NIST 和 JILA(NIST 和 CU Boulder 的聯(lián)合研究所)使用激光雷達(dá)在空中發(fā)送時(shí)間信號(hào)，對(duì)兩種不同的原子鐘進(jìn)行比較。

改進(jìn)計(jì)時(shí)系統(tǒng)在從股票交易到導(dǎo)航等許多技術(shù)應(yīng)用中都至關(guān)重要。全球定位系統(tǒng)(GPS)的衛(wèi)星和接收器來(lái)回發(fā)送無(wú)線電信號(hào)，并利用這些信號(hào)的時(shí)間來(lái)確定用戶的位置。全球定位系統(tǒng)使用軍用時(shí)間，這些時(shí)鐘會(huì)定期與民用時(shí)鐘(如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的光學(xué)原子鐘和世界各地的其他類似時(shí)鐘)核對(duì)時(shí)間。

光學(xué)原子鐘在研究量子物理學(xué)方面也很有用。通過(guò)將時(shí)間分割成令人難以置信的小片，科學(xué)家可以利用這些時(shí)鐘測(cè)量以前無(wú)法檢測(cè)到的變化，例如短距離尺度上的引力紅移，即引力對(duì)時(shí)間流逝的影響。

天文學(xué)和宇宙學(xué)

先進(jìn)的光學(xué)原子鐘還能讓科學(xué)家們研究我們地球以外的大自然常數(shù)。例如，在光學(xué)頻率梳的幫助下，NIST 的科學(xué)家們正在利用這些改進(jìn)的時(shí)鐘來(lái)尋找難以捉摸的暗物質(zhì)。

光學(xué)頻率梳還在幫助科學(xué)家尋找遙遠(yuǎn)恒星周圍的系外行星。通過(guò)跟蹤這些恒星發(fā)出的光的確切顏色，他們可以尋找恒星運(yùn)動(dòng)中的擺動(dòng)，這將表明有一顆類似地球的行星圍繞恒星運(yùn)行。

精確測(cè)量距離

光學(xué)頻率梳可以遠(yuǎn)距離工作。2013 年，NIST 獲得了激光雷達(dá)使用，這是一種光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，利用光頻率梳通過(guò)分析物體反射的光來(lái)測(cè)量物體的距離。

該系統(tǒng)已在一些研究應(yīng)用中使用。NIST 的火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室利用頻率梳 “看 ”穿火焰，并識(shí)別出熔化物體?；陬l率梳的激光雷達(dá)還被用于繪制 3D 地圖。最終，使用光學(xué)頻率梳的激光雷達(dá)可以使衛(wèi)星和其他空間儀器保持緊密編隊(duì)飛行，發(fā)揮單一儀器的作用。

大氣科學(xué)與溫室氣體

原子和分子可以通過(guò)其吸收光的頻率來(lái)識(shí)別。由于光學(xué)頻率梳能在短脈沖中產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)個(gè)頻率，因此可用于快速有效地研究各種分子和原子的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)。

這有許多潛在的應(yīng)用，并已被用于研究污染問(wèn)題。JILA 的科學(xué)家利用光學(xué)頻率梳研究了將燃燒化石燃料與空氣污染聯(lián)系在一起的短壽命分子。頻率梳還可以探測(cè)大型復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)。

科學(xué)家們還致力于利用光學(xué)頻率梳檢測(cè)氣體中各種分子的痕量。2019 年，來(lái)自 NIST、科羅拉多大學(xué)博爾德分校和 LongPath Technologies 的科學(xué)家和工程師開(kāi)發(fā)了一種雙梳便攜式光譜系統(tǒng)，用于檢測(cè)油氣田排放的微量甲烷。

審核編輯 黃宇