光頻梳的應(yīng)用與未來(lái)前景

介紹

光頻梳是一種特殊的超短脈沖激光器，類(lèi)似于光的尺子，可將無(wú)線電和微波頻率與光波頻率連接起來(lái)。目前已經(jīng)在光鐘計(jì)時(shí)、天文學(xué)和宇宙學(xué)、精確測(cè)量、氣體分析、醫(yī)學(xué)診斷等方面有眾多應(yīng)用。在未來(lái)的時(shí)間里，科學(xué)家和他們的合作者也將繼續(xù)探索各類(lèi)光頻梳的巨大潛力。

正文

光頻梳是一種特殊的超短脈沖激光器，其類(lèi)似于光的尺子，能夠快速而準(zhǔn)確地測(cè)量光的頻率。這樣一種獲得諾貝爾獎(jiǎng)的設(shè)備填補(bǔ)了一個(gè)重要的技術(shù)空白——科學(xué)家能夠像處理無(wú)線電波一樣測(cè)量和控制光波。借助光頻梳，科學(xué)家們可以將無(wú)線電和微波頻率與頻率高10,000倍的光波無(wú)縫連接。據(jù)此，光頻梳也產(chǎn)生了眾多應(yīng)用方向。

計(jì)時(shí)

光頻梳對(duì)原子鐘和時(shí)間測(cè)量產(chǎn)生了革命性的影響。光學(xué)原子鐘通過(guò)計(jì)數(shù)原子的自然振蕩來(lái)標(biāo)記時(shí)間，其振蕩頻率遠(yuǎn)高于基于微波的標(biāo)準(zhǔn)原子鐘。然而，目前用于測(cè)量微波原子鐘頻率的電子系統(tǒng)無(wú)法計(jì)算光學(xué)上的振蕩信號(hào)。光頻梳均勻而精確的梳齒間距使其能夠?qū)⒐忸l率分割為與電子和微波信號(hào)相匹配的部分，從而建立起光學(xué)原子鐘與微波原子鐘以及電子設(shè)備之間的聯(lián)系。這種聯(lián)系為科學(xué)家們建立更快、更準(zhǔn)確的時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)提供了可能，有望重新定義秒的概念。

全qiu定位系統(tǒng)（GPS）依賴(lài)于衛(wèi)星和接收器之間無(wú)線電信號(hào)的時(shí)間關(guān)系來(lái)確定實(shí)時(shí)位置。因此科學(xué)家們期望在導(dǎo)航衛(wèi)星上使用光學(xué)原子鐘以提高系統(tǒng)精度，使GPS能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)的定位。

此外，光學(xué)原子鐘在量子物理學(xué)方面也具有重要應(yīng)用。通過(guò)將時(shí)間劃分為ji小的時(shí)間段，科學(xué)家們可以測(cè)量以前無(wú)法檢測(cè)到的變化，如短距離尺度上的引力紅移等。

總而言之，光頻梳和光學(xué)原子鐘的出現(xiàn)為時(shí)間測(cè)量和相關(guān)領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的創(chuàng)新和應(yīng)用前景。

天文學(xué)和宇宙學(xué)

先jin的光頻梳在尋找系外行星方面具有巨大的潛力。科學(xué)家們利用光頻梳可以精確地追蹤來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星的光譜，通過(guò)觀察恒星的微小搖擺，他們可以推斷出是否存在類(lèi)似地球的行星環(huán)繞著這些恒星運(yùn)行。

這項(xiàng)技術(shù)被稱(chēng)為徑向速度法，它基于行星對(duì)恒星的引力影響。當(dāng)行星繞恒星運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)引起恒星的微弱運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)恒星的光譜來(lái)檢測(cè)。光頻梳的高精度測(cè)量能力使得科學(xué)家們能夠探測(cè)到非常微小的恒星搖擺，這為發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)行星提供了強(qiáng)有力的工具。通過(guò)分析恒星光譜的變化，科學(xué)家們還可以確定行星的質(zhì)量、軌道和運(yùn)動(dòng)速度等重要參數(shù)。因此，光頻梳推動(dòng)了我們對(duì)宇宙中行星系統(tǒng)更深入的研究。

精確距離測(cè)量

光頻梳提供了極高的頻率穩(wěn)定性和分辨率，使得激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的距離測(cè)量。

激光器發(fā)射一束脈沖激光，當(dāng)激光束照射到目標(biāo)物體上并被反射回來(lái)時(shí)，光頻梳就可以對(duì)這些光進(jìn)行精確的頻率分析。通過(guò)測(cè)量光的往返時(shí)間和頻率變化，激光雷達(dá)可以精確計(jì)算出物體與雷達(dá)之間的距離。這在許多應(yīng)用領(lǐng)域都非常重要，例如無(wú)人駕駛汽車(chē)、測(cè)繪和環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

利用光頻梳的特性，激光雷達(dá)還可以實(shí)現(xiàn)更多功能。通過(guò)分析反射光的頻率變化，激光雷達(dá)可以提供目標(biāo)物體的速度信息。此外，光頻梳還可以用于多目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤，通過(guò)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的距離和速度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的感知和識(shí)別。NIST的火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室就可以使用頻率梳技術(shù)“透視”火焰并識(shí)別火焰中熔化的物體。基于頻率梳的激光雷達(dá)還可以被用于創(chuàng)建三維地圖。

大氣科學(xué)和溫室氣體

光頻梳可以通過(guò)吸收光的頻率來(lái)識(shí)別原子和分子，這為快速、高效地研究各種分子和原子的數(shù)量和特性提供了可能。由于光頻梳可以在短脈沖中產(chǎn)生大量的頻率，因此它們能夠用于探索大型或復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性。

這項(xiàng)技術(shù)具有廣泛的潛在應(yīng)用，其中之一便是研究大氣污染問(wèn)題。科學(xué)家們利用光頻梳可以研究由化石燃料燃燒所產(chǎn)生的空氣污染短壽命分子。例如，JILA的科學(xué)家們使用光頻梳技術(shù)，對(duì)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物進(jìn)行了深入研究。

在2019年，NIST（美國(guó)guo家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）、科羅拉多大學(xué)博爾德分校和LongPath Technologies的科學(xué)家和工程師們合作開(kāi)發(fā)了一種雙梳便攜式光譜系統(tǒng)，用于檢測(cè)油氣田中微小的甲烷排放量。這種系統(tǒng)利用光頻梳的高精度頻率測(cè)量能力，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)和量化甲烷等溫室氣體的排放。這對(duì)于監(jiān)測(cè)和控制溫室氣體排放，以及改善環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

圖1 這幅插圖展示了在油氣田中使用移動(dòng)雙頻梳式激光光譜儀來(lái)檢測(cè)微量氣體的過(guò)程。光譜儀位于一個(gè)由反射鏡環(huán)繞的圓圈的中心。來(lái)自光譜儀的激光光線（黃色線）穿過(guò)氣體云層，擊中反射鏡，然后直接返回到其起點(diǎn)。收集到的數(shù)據(jù)用于識(shí)別泄漏的微量氣體（包括甲烷），以及泄漏位置和其排放速率。

醫(yī)學(xué)診斷

光頻梳在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景。類(lèi)似于在化學(xué)應(yīng)用中使用光頻梳來(lái)檢測(cè)微量分子指標(biāo)，光頻梳也可以用于檢測(cè)疾病的微量分子指標(biāo)。科學(xué)家們正在利用光頻梳開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)能夠通過(guò)呼氣分析來(lái)檢測(cè)疾病的儀器。這項(xiàng)研究的目標(biāo)是通過(guò)分析個(gè)體呼氣中的成分，尋找與特定疾病或健康狀況相關(guān)的生物標(biāo)志物或指標(biāo)。通過(guò)檢測(cè)呼氣中的微量分子，例如揮發(fā)性有機(jī)化合物和代謝產(chǎn)物，光頻梳有望提供一種快速、非侵入性的診斷方法，改變疾病的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方式。

然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，這些醫(yī)學(xué)應(yīng)用目前仍處于開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證階段。雖然科學(xué)家們?cè)诶霉忸l梳進(jìn)行呼氣分析的研究方面取得了一些進(jìn)展，但仍需要進(jìn)行更多的研究和臨床試驗(yàn)來(lái)確保基于光頻梳的呼氣分析系統(tǒng)在疾病檢測(cè)中的可靠性、準(zhǔn)確性和有效性。

光學(xué)頻率梳的下一步是什么?

光頻梳在頻率范圍和應(yīng)用領(lǐng)域上取得了顯著的進(jìn)展。現(xiàn)今的光頻梳比早期版本的頻率范圍更廣，可以涵蓋從深紅外到極紫外的范圍。特別是紫外光頻梳有望在未來(lái)用于驅(qū)動(dòng)原子核的躍遷，這將為時(shí)鐘和光譜學(xué)研究納米shi界帶來(lái)新的可能性。

另一個(gè)重大進(jìn)展是光纖激光頻率梳。光纖激光頻率梳利用光纖組件，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。科學(xué)家們還在研究和測(cè)試如何將光纖激光頻率梳應(yīng)用于太空，通過(guò)不斷改進(jìn)光纖激光頻率梳的性能、功率和耐用性，以適應(yīng)新的應(yīng)用和環(huán)境。

盡管許多頻率梳目前的尺寸大約相當(dāng)于一個(gè)鞋盒，但科學(xué)家們一直在努力將其尺寸縮小，片上光頻梳在數(shù)據(jù)中心和其他高性能計(jì)算系統(tǒng)中具有更大的商業(yè)應(yīng)用潛力。特別是，其光譜學(xué)能力也可以整合到智能手機(jī)和可穿戴技術(shù)中，用于健康監(jiān)測(cè)。然而，實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)。盡管許多組件已經(jīng)被微型化，但將它們完全集成到單個(gè)芯片上仍然具有挑戰(zhàn)性。

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在未來(lái)，科學(xué)家們將繼續(xù)探索各種類(lèi)型光頻梳的巨大潛力，并努力克服目前面臨的技術(shù)和工程難題。這些努力將為光頻梳的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)辟新的道路，為科學(xué)研究和商業(yè)應(yīng)用帶來(lái)更多的創(chuàng)新和機(jī)會(huì)。

相關(guān)文獻(xiàn)：

https://www.nist.gov/topics/physics/optical-frequency-combs

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