請試想一下，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，如此龐大的數字里面蘊含著機遇與挑戰。

現在，歸功于激光物理學近幾十年來的革命性進步，科學家得以開發出一種新型的“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度下測量頻率與時間的核心技術。這里，我們談論的便是榮獲2005年諾貝爾物理學獎的——光學頻率梳。

光學頻率梳，就像生活中梳子一樣，在光譜上具有數萬甚至數十萬條緊密的“刻度線”，即離散的，均勻頻率間隔，具有相干穩定相位關系的梳齒。

光學頻率梳一般是由鎖模激光器產生，每個梳齒代表了單一頻率振動的激光縱模，它們在空間中互相重疊且相位同步，產生所謂的“拍頻”（beat note）現象，即光脈沖。

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

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

圖1：光學頻率梳示意圖，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間。

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

讓世界重新對時

光學頻率梳的發明對原子鐘測時來說是革命性的。光學原子鐘是以原子的自然振動來測算時間的，原理一如祖父鐘中鐘擺的擺動。

通常這些原子每秒振蕩約五百萬億次，比基于微波的標準原子鐘頻率高得多，以至于需要極其復雜和多層的電子線路來計數，大大削弱了精準度。

而由于光學頻率梳的性質，它的梳齒就像時鐘的齒輪一樣，將高速光學頻率通過拍頻頻率差轉換更低頻的微波信號，簡化了測量所需的人力物力，讓人們更簡單地實現更快、更準確的計時系統。

為了讓這些新型光學原子鐘用于對秒的重新定義，NIST的研究團隊分別在光纖和自由空間鏈路的兩端，以創紀錄的精度比較了三種世界最先進的原子鐘。

NIST的物理學家David Hume說道：“我們的測量結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錄，即準確度比迄今為止使用不同原子鐘進行的任何比較都精確10倍”。

這樣測量確實極具挑戰性，因為三種類型的原子以截然不同的頻率“滴答作響”，并且需要實驗組件以極高的精度運作，尤其是自由光鏈路要求尖端的激光設計，而光學頻率梳則是其中的關鍵核心技術。

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光學原子鐘（Yb/Al+ Mg+/Sr）的信號。

圖源：N. Hanacek/NIST

這樣的測時系統在從股票交易到導航等不同領域中起著至關重要的作用。比如，全球定位系統 (GPS) 衛星和地面接收器來回發送無線電信號，并使用這些信號的時間差來定位用戶的位置。科學家們希望將來在導航衛星上能夠安裝光學原子鐘，提升定位系統性能，達到厘米級別的精準度。

尋找類地行星

我們知道，與其圍繞運動的恒星相比，任何行星都是極其微弱的光源。

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

比如，恒星的內核發射白光，但當它們到達地球大氣后，會被其中某些具有窄色帶吸收峰的元素改變光譜性質。

天文學家則是分析和利用這種特殊“指紋”的周期性變化，即恒星光譜隨時間的微小區別，來探索該恒星系中隱藏的行星，因為這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光譜儀的頻率標準的限制。

在過去的20年里，NIST研究人員引領了光學頻率梳的發展。其交付到德克薩斯州霍比-埃伯利望遠鏡（Hobby-Eberly）望遠鏡的“天文梳（astrocomb）”確保了恒星光的分析精度，并實現了創紀錄的恒星光測量。

“根據探測器光譜儀量身定制的光學頻率梳立即讓我們在賓夕法尼亞州立大學的同事能夠進行他們之前無法進行的測量，”NIST的研究人員Scott Diddams說。“這些改進的工具應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。”

文章中收集的數據表明，“天文梳”將有可能探測到類似地球質量的行星對恒星光譜的改變，并且至少比以前的技術中實現的性能要好10倍。

圖3：類地行星探測的實驗裝備，由電光“天文梳”，望遠鏡和光譜分析儀組成。

圖源：NIST

量子極限下的精確距離測量

自從發明后不久，光學頻率梳就被用在實現高度精確的距離測量。在以前，人們使用雷達無線電波來確定距離，根據信號的脈沖寬度，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為光譜范圍很廣而比無線電波短得多，有可能使測量精確達到納米范圍，甚至亞納米范圍——即使當探測器距離目標數公里之外時亦是如此。

一般來說，使用光學頻率梳進行距離測量需要兩個頻率梳，它們的激光脈沖緊密相干協調。在時域上，雙光學頻率梳類似于游標測尺，兩個頻率梳激光器具有一定偏差的脈沖重復周期，基于時間飛行法進行距離測量時，主頻率梳激光器為主測尺，副的則為游標尺，而游標尺可實現小數位的精確測量。

然而，這種高精度帶來的限制與探測器需要接收的光子個數有關，檢測到的光子越多意味著發現遠距離目標快速變化的能力越強。

根據雙頻率梳的設計原理，探測器只能記錄那些與副頻率梳激光器的脈沖同時到達的，但來自于主光頻梳激光器的光子。

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

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

“我們基本上打破了要求頻率梳使用固定脈沖間隔進行精確操作的規則。”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，我們已經擺脫了必須做出的權衡取舍，所以即使現在我們的系統只有一點點光也可以獲得高精度的結果。”

在“量子極限”下進行測量，在物理學家們的語境下意味著他們不浪費每一個攜帶有用信息的可用光子。但迄今為止，頻率梳技術還遠未達到該量子極限。

“頻率梳通常用于以極高的精度測量距離和時間等物理量，但大多數測量技術浪費了絕大部分的光，99.99%或更多，”辛克萊說。“相反，我們已經證明，通過使用時間可編程頻率梳，是可以消除這種浪費的。”

在文章中，該研究團隊創新性地提出控制副光頻梳脈沖的方案。也就是說，通過數字控制電路技術，使得副光頻梳脈沖“鎖定”返回的主光頻梳脈沖信號——兩個脈沖重疊，進而消除了以前的采樣方法產生的死區時間。

盡管脈沖持續時間相對較短，僅為它們之間死區時間的0.01%，如同“大海撈針”，但仍然可以利用高精度的數字控制電路調整脈沖輸出，最終讓兩個脈沖重新對齊。

圖4：使用雙頻率梳進行距離測量的原理示意圖。

來自其中一個頻率梳激光器（F1）的脈沖，就像雷達使用無線電波一樣，進入測距干涉儀后被遠處的物體反射回來，而另一個頻率梳激光器（F2）在重復周期上略有偏移，用于測量經干涉儀光頻梳的相移，從而實現快速、大量程和高精度的絕對距離測量。最下面是利用數字控制電路，調整F2的脈沖輸出，達到使兩者脈沖重疊的效果。

圖源：B. Hayes/NIST

與標準雙梳測距相比，該項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。這項創新甚至可以實現未來對遙遠衛星的納米級測量，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別。由于光學頻率梳在短脈沖中產生數百萬個頻率，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，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，使用了一種特殊設計的晶體材料——周期性極化鈮酸鋰（PPLN），從而實現了波長轉換。

該項工作中的實驗平臺將來自一個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分路的光譜進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分路。這樣產生的較低頻率（較長波長）的中紅外光，就是兩個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。來自兩個光學頻率梳的光在光纖中合束，并從一個位于NIST大樓頂部的望遠鏡向外傳輸。

其中一束被發送到位于另一座建筑物陽臺上的反射器上，另外一束被發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，以識別空氣中的不同溫室氣體。

醫療診斷

在寒冷冬日的呼氣中，您會看到水蒸氣從嘴里冒出來。請注意，如果使用光學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被檢測出來，其中一些化合物可提供疾病的早期預警信號。

由NIST和實驗天體物理聯合研究所（JILA）的研究人員Jun Ye領導的團隊展示了一種即時識別呼吸中不同微量成分的光學技術，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人呼吸中所有主要生物標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，但它也會與許多其他肺部疾病一起出現在呼吸中，包括囊性纖維化和支氣管擴張癥。

但是，假設我們同時監測一氧化氮（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志物，我們便可以更加確定地診斷出這種重要疾病。”

該實驗裝置通過測量光學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來確認化學成分，以實現高達萬億分之一水平的檢測靈敏度。

“小，快，靈”的集成光學頻率梳

為了更加便捷地利用光學頻率梳的優勢，人們把目光投向了集成光路技術。在之前，傳統的集成光學里相對單一的材料選擇嚴重制約了光子芯片的性能。但得益于集成技術的不斷進步，光學頻率梳這一復雜的多材料體系如今能夠在晶圓級的光子芯片上得以實現，推動著其從實驗室到產業界的巨大跨越。

當前集成光學頻率梳器件分為兩類：基于III-V族半導體激光器的集成半導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。這兩者的根本區別在于前者使用直接電泵浦，而后者是通過光泵浦實現的。

目前，該技術已經在降低系統尺寸，重量，功耗和成本上取得了引人注目的成就。通過使用現代制造設備，即依托先進光刻和微納制造工藝，集成光學頻率梳在各項性能上與基于傳統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。該系統由磷化銦。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，進而在系統層面帶來最優的性能。 圖源：Nature Photonics 16, no. 2 (2022): 95-108

可以想象，在不久的將來，晶圓級集成光學頻率梳的商業產品將隨處可見。比如，在數據中心和高性能計算的密集波分復用光互連網絡中，光學頻率梳，光學收發機和微電子技術的集成將使數據鏈路具備前所未有的帶寬，效率和覆蓋范圍。再如，在未來自動駕駛中的激光雷達技術，通過集成光學頻率梳所實現的并行雷達體系，將大大提升系統的采樣速度，與此同時降低硬件成本，從而解決該領域長期以來在探測方面的瓶頸。

審核編輯：劉清