光学频率梳的应用

计时

光学频率梳在原子钟和计时方面具有历史性的意义。光学原子钟通过计算原子的自然振荡来标记时间的流逝，就像老爷钟计算钟摆的摆动一样。这些原子每秒振荡约 500000 亿次，比标准微波原子钟的频率高得多。目前用于测量微波原子钟频率的电子系统根本无法计算光学 "滴答 "声。

由于光学频率梳的齿间距均匀且精确，因此梳齿的作用就像时钟的齿轮一样，可以接收较快的光学频率，能将较快的光频分解为电子钟和当前原子钟使用的低频微波信号。这样，科学家们就能将光学原子钟的高频 “滴答声 ”与微波钟的低频 “滴答声 ”以及当今计算机和通信系统使用的电子设备联系起来。

有了这些在电子设备、微波工具和光学原子钟之间传输精确信号的 “齿轮”，科学家们就可以利用这些功能强大的新时钟来建立更快、更精确的计时系统。光学原子钟最终可能会重新定义秒。

光频梳的作用就像时钟中的齿轮，让科学家能够轻松地将高频光学频率转换为低频微波，反之亦然。它们甚至可以帮助科学家在不同的光学频率之间进行转换。

为了将这些新时钟用于国家和全球计时，科学家需要能够比较来自不同距离的时钟信号。光学频率梳也有助于实现这一目标。NIST 和 JILA(NIST 和 CU Boulder 的联合研究所)使用激光雷达在空中发送时间信号，对两种不同的原子钟进行比较。

改进计时系统在从股票交易到导航等许多技术应用中都至关重要。全球定位系统(GPS)的卫星和接收器来回发送无线电信号，并利用这些信号的时间来确定用户的位置。全球定位系统使用军用时间，这些时钟会定期与民用时钟(如美国国家标准与技术研究院的光学原子钟和世界各地的其他类似时钟)核对时间。

光学原子钟在研究量子物理学方面也很有用。通过将时间分割成令人难以置信的小片，科学家可以利用这些时钟测量以前无法检测到的变化，例如短距离尺度上的引力红移，即引力对时间流逝的影响。

天文学和宇宙学

先进的光学原子钟还能让科学家们研究我们地球以外的大自然常数。例如，在光学频率梳的帮助下，NIST 的科学家们正在利用这些改进的时钟来寻找难以捉摸的暗物质。

光学频率梳还在帮助科学家寻找遥远恒星周围的系外行星。通过跟踪这些恒星发出的光的确切颜色，他们可以寻找恒星运动中的摆动，这将表明有一颗类似地球的行星围绕恒星运行。

精确测量距离

光学频率梳可以远距离工作。2013 年，NIST 获得了激光雷达使用，这是一种光探测和测距系统，利用光频率梳通过分析物体反射的光来测量物体的距离。

该系统已在一些研究应用中使用。NIST 的火灾研究实验室利用频率梳 “看 ”穿火焰，并识别出熔化物体。基于频率梳的激光雷达还被用于绘制 3D 地图。最终，使用光学频率梳的激光雷达可以使卫星和其他空间仪器保持紧密编队飞行，发挥单一仪器的作用。

大气科学与温室气体

原子和分子可以通过其吸收光的频率来识别。由于光学频率梳能在短脉冲中产生数百万个频率，因此可用于快速有效地研究各种分子和原子的数量、结构和动态。

这有许多潜在的应用，并已被用于研究污染问题。JILA 的科学家利用光学频率梳研究了将燃烧化石燃料与空气污染联系在一起的短寿命分子。频率梳还可以探测大型复杂分子的结构和动力学。

科学家们还致力于利用光学频率梳检测气体中各种分子的痕量。2019 年，来自 NIST、科罗拉多大学博尔德分校和 LongPath Technologies 的科学家和工程师开发了一种双梳便携式光谱系统，用于检测油气田排放的微量甲烷。

审核编辑 黄宇