光(guang)頻梳(shu)的應用(yong)與未來前景

介紹(shao)

光(guang)頻梳是一(yi)種特殊的超短脈沖激光器，類似于光(guang)的尺子，可將無線電和微波頻(pin)率與光(guang)波頻(pin)率連(lian)接起來(lai)。目前(qian)已經在光(guang)鐘計(ji)時(shi)、天文(wen)學(xue)和(he)宇宙學(xue)、精確測量(liang)、氣體分析、醫學(xue)診斷等(deng)方面(mian)有眾多應用(yong)。在未來的(de)時間里，科學(xue)家和(he)他們的(de)合作(zuo)者也(ye)將(jiang)繼(ji)續探(tan)索各(ge)類光頻(pin)梳的(de)巨(ju)大潛力。

正(zheng)文

光頻梳是一種特殊的超短脈沖激光(guang)(guang)(guang)器，其類似于光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)尺子，能(neng)夠快(kuai)速而(er)準確地測量(liang)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)頻(pin)率。這樣(yang)一(yi)種獲得諾貝爾獎的(de)(de)設(she)備填(tian)bu了一(yi)個重要的(de)(de)技術(shu)空白——科(ke)學家能(neng)夠像(xiang)處理(li)無(wu)(wu)線(xian)電(dian)波一(yi)樣(yang)測量(liang)和控制光(guang)(guang)(guang)波。借(jie)助光(guang)(guang)(guang)頻(pin)梳(shu)，科(ke)學家們可以將無(wu)(wu)線(xian)電(dian)和微波頻(pin)率與頻(pin)率高10,000倍的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)波無(wu)(wu)縫連接。據此，光(guang)(guang)(guang)頻(pin)梳(shu)也(ye)產生了眾多應(ying)用方向。

計時

光(guang)(guang)(guang)頻(pin)梳對原子(zi)(zi)(zi)鐘和時間(jian)測量產生了革命(ming)性的(de)影(ying)響。光(guang)(guang)(guang)學原子(zi)(zi)(zi)鐘通過(guo)計數原子(zi)(zi)(zi)的(de)自然振蕩來標(biao)記時間(jian)，其振蕩頻(pin)率遠高于基于微波的(de)標(biao)準原子(zi)(zi)(zi)鐘。然而，目前用于測量微波原子(zi)(zi)(zi)鐘頻(pin)率的(de)電子(zi)(zi)(zi)系(xi)統無法計算(suan)光(guang)(guang)(guang)學上的(de)振蕩信(xin)號。光(guang)(guang)(guang)頻(pin)梳均勻而精確的(de)梳齒(chi)間(jian)距使其能(neng)夠(gou)將光頻率分割為(wei)與(yu)電子和微波信號相匹配的部分，從而建立起光學(xue)原子鐘(zhong)與(yu)微波原子鐘(zhong)以(yi)及電子設備之間的聯系。這(zhe)種(zhong)聯系為(wei)科學(xue)家(jia)們建立更(geng)快、更(geng)準(zhun)確的時間測(ce)量系統提供了可能，有望重新定義秒的概念。

全qiu定(ding)位(wei)系統（GPS）依賴于(yu)衛(wei)星和接(jie)收器之間無(wu)線電信(xin)號的時間關系來(lai)確定(ding)實(shi)時位(wei)置。因(yin)此(ci)科學(xue)家(jia)們(men)期望在導航(hang)衛(wei)星上使用光(guang)學(xue)原子(zi)鐘(zhong)以提(ti)高系統精度，使GPS能夠實(shi)現(xian)厘米級的定(ding)位(wei)。

此外，光學原子鐘在量子物理學方面也具(ju)有重要應用。通(tong)過(guo)將時間(jian)劃分(fen)為ji小的時間(jian)段，科學家們可以測量以前無(wu)法檢測到的變化，如短距離尺度上(shang)的引(yin)力紅移等。

總而言之，光(guang)頻梳和(he)光(guang)學原子(zi)鐘的(de)出現為時間(jian)測量(liang)和(he)相關領域帶(dai)來了巨大的(de)創(chuang)新和(he)應用(yong)前景。

天文學和宇宙學

先jin的光(guang)頻(pin)梳(shu)在尋找(zhao)系外行星(xing)方(fang)面(mian)具有巨大的潛(qian)力。科學家們利用光(guang)頻(pin)梳(shu)可(ke)以精(jing)確地追蹤來自(zi)遙遠(yuan)恒星(xing)的光(guang)譜，通(tong)過觀察恒星(xing)的(de)微(wei)小搖(yao)擺，他(ta)們(men)可(ke)以(yi)推斷(duan)出是否存在類似地球的(de)行星(xing)環繞著這些恒星(xing)運行。

這(zhe)項技(ji)術被稱為徑(jing)向速(su)(su)度(du)法(fa)，它(ta)基(ji)于行(xing)(xing)星(xing)(xing)對恒(heng)星(xing)(xing)的引力影響。當(dang)行(xing)(xing)星(xing)(xing)繞恒(heng)星(xing)(xing)運動時，它(ta)會(hui)引起恒(heng)星(xing)(xing)的微(wei)弱運動，這(zhe)種運動可以通過恒(heng)星(xing)(xing)的光譜(pu)來檢測。光頻梳的高精度(du)測量能力使(shi)得科學家們能夠(gou)探(tan)測到非(fei)常(chang)微(wei)小的恒(heng)星(xing)(xing)搖擺(bai)，這(zhe)為發現(xian)遙遠(yuan)行(xing)(xing)星(xing)(xing)提供了(le)強有力的工具。通過分析恒(heng)星(xing)(xing)光譜(pu)的變化，科學家們還可以確定行(xing)(xing)星(xing)(xing)的質量、軌道和(he)運動速(su)(su)度(du)等重要參數。因此，光頻梳推(tui)動了(le)我們對宇宙中行(xing)(xing)星(xing)(xing)系(xi)統更深(shen)入的研究。

精(jing)確距離測(ce)量

光頻梳(shu)提供了ji高的(de)頻率穩定性和(he)分辨率，使(shi)得激光雷達能夠實(shi)現非常(chang)精確(que)的(de)距離測量。

激(ji)光器發射一束脈(mo)沖激(ji)光，當激(ji)光束照射到目標(biao)物(wu)體上并被反射回來時，光頻(pin)(pin)梳就可以對這些(xie)光進行(xing)精確(que)的頻(pin)(pin)率分析。通過測(ce)量光的往(wang)返時間和頻(pin)(pin)率變化，激(ji)光雷達(da)可以精確(que)計算出物(wu)體與雷達(da)之間的距離。這在許多應用領域都非常重要，例如(ru)無人駕(jia)駛汽車、測(ce)繪和環境(jing)監測(ce)等(deng)。

利用光(guang)(guang)頻(pin)(pin)梳的(de)特性，激光(guang)(guang)雷達(da)還可以實現更多功(gong)能。通過(guo)分(fen)析反射光(guang)(guang)的(de)頻(pin)(pin)率變化，激光(guang)(guang)雷達(da)可以提供目標物體的(de)速度(du)信(xin)息(xi)。此外，光(guang)(guang)頻(pin)(pin)梳還可以用于多目標檢測和跟蹤，通過(guo)對(dui)多(duo)個(ge)目標的(de)距(ju)離和速(su)度(du)進行(xing)測(ce)量，實(shi)現對(dui)復雜場(chang)景的(de)感知和識(shi)別。NIST的(de)火災研究實(shi)驗室就可以使用頻率梳技(ji)術“透視"火焰并(bing)識(shi)別火焰中熔(rong)化的物(wu)體。基(ji)于頻率梳的激光雷(lei)達還可以被(bei)用(yong)于創建(jian)三維地圖(tu)。

大氣科學和溫室(shi)氣體

光(guang)頻(pin)(pin)梳(shu)可以通過(guo)吸收(shou)光(guang)的頻(pin)(pin)率(lv)來識別原子(zi)和分(fen)子(zi)，這為快速、高效地研(yan)究(jiu)各(ge)種分(fen)子(zi)和原子(zi)的數量(liang)和特(te)性提供(gong)了可能(neng)(neng)。由于(yu)光(guang)頻(pin)(pin)梳(shu)可以在短(duan)脈沖中(zhong)產生大量(liang)的頻(pin)(pin)率(lv)，因此(ci)它們能(neng)(neng)夠用(yong)于(yu)探索(suo)大型或復(fu)雜(za)分(fen)子(zi)的結構和動態(tai)特(te)性。

這項技術具有(you)廣泛的(de)(de)潛在應用，其中(zhong)之一(yi)便是研(yan)究大氣污染問(wen)題。科學家(jia)們(men)利用光頻梳(shu)可(ke)以研(yan)究由化石燃(ran)料燃(ran)燒(shao)所產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)空氣污染短壽命分(fen)子。例(li)如，JILA的(de)(de)科學家(jia)們(men)使用光頻梳(shu)技術，對(dui)燃(ran)燒(shao)過程中(zhong)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)污染物進行(xing)了(le)深入研(yan)究。

在2019年，NIST（美國guo家標準與技術研究院）、科羅(luo)拉多(duo)大學(xue)博爾(er)德(de)分(fen)校和(he)LongPath Technologies的科學(xue)家和(he)工程師(shi)們合作開(kai)發了(le)一種雙梳(shu)便攜式光譜系(xi)統(tong)(tong)，用(yong)于(yu)檢(jian)(jian)測油氣(qi)田中(zhong)微小的甲烷(wan)排(pai)放量。這(zhe)(zhe)種系(xi)統(tong)(tong)利用(yong)光頻梳(shu)的高精度頻率測量能力，能夠準確地檢(jian)(jian)測和(he)量化(hua)甲烷(wan)等溫室(shi)氣(qi)體的排(pai)放。這(zhe)(zhe)對于(yu)監測和(he)控(kong)制溫室(shi)氣(qi)體排(pai)放，以及改善環境質量具有(you)重要意義。

圖1 這幅插圖展(zhan)示了(le)在(zai)油氣田中使用移動(dong)雙頻(pin)梳式激光光譜儀來(lai)檢測微量(liang)氣體的(de)過程(cheng)。光譜(pu)儀位于一個由反(fan)射鏡(jing)環繞的(de)圓圈的(de)中心(xin)。來(lai)自(zi)光譜(pu)儀的(de)激光光線（黃(huang)色線）穿過氣體云層，擊(ji)中反(fan)射鏡(jing)，然后直接返回到其起點。收集(ji)到的(de)數據用于識(shi)別(bie)泄漏的(de)微量(liang)氣體（包括甲烷），以及(ji)泄漏位置和其排放速(su)率。

yi學診斷

光(guang)頻(pin)(pin)梳(shu)在(zai)醫學領域(yu)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)具有(you)廣闊的(de)(de)(de)(de)前景。類似于在(zai)化學應(ying)用(yong)(yong)中(zhong)使用(yong)(yong)光(guang)頻(pin)(pin)梳(shu)來檢(jian)測微(wei)量(liang)分子指標，光(guang)頻(pin)(pin)梳(shu)也可以用(yong)(yong)于檢(jian)測疾(ji)病的(de)(de)(de)(de)微(wei)量(liang)分子指標。科學家們(men)正在(zai)利用(yong)(yong)光(guang)頻(pin)(pin)梳(shu)開展實驗，開發能夠(gou)通過(guo)呼(hu)(hu)氣(qi)分析來檢(jian)測疾(ji)病的(de)(de)(de)(de)儀(yi)器。這項研究的(de)(de)(de)(de)目標是通過(guo)分析個體呼(hu)(hu)氣(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)成分，尋找與特定(ding)疾(ji)病或健(jian)康狀況(kuang)相關的(de)(de)(de)(de)生(sheng)物標志物或指標。通過(guo)檢(jian)測呼(hu)(hu)氣(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)微(wei)量(liang)分子，例如揮發性有(you)機化合物和代謝(xie)產物，光(guang)頻(pin)(pin)梳(shu)有(you)望提供一種快速(su)、非侵入性的(de)(de)(de)(de)診(zhen)斷(duan)方(fang)法，改變(bian)疾(ji)病的(de)(de)(de)(de)檢(jian)測和監測方(fang)式。

然(ran)(ran)而，需要強調的是，這些醫學(xue)應(ying)用目前仍處(chu)于(yu)開發和(he)驗證階(jie)段。雖然(ran)(ran)科學(xue)家們在(zai)利用光頻梳(shu)進行(xing)呼氣分析(xi)的研(yan)究方面(mian)取得了一些進展(zhan)，但仍需要進行(xing)更多的研(yan)究和(he)臨床(chuang)試驗來確(que)(que)保基于(yu)光頻梳(shu)的呼氣分析(xi)系統在(zai)疾(ji)病檢測中的可靠性、準(zhun)確(que)(que)性和(he)有效(xiao)性。

光學頻率梳的(de)下一步是什么(me)?

光(guang)頻梳在頻率范(fan)圍和(he)應(ying)用領域(yu)上取得(de)了(le)顯著的(de)進展。現今(jin)的(de)光(guang)頻梳比早(zao)期版本的(de)頻率范(fan)圍更廣，可以涵蓋從(cong)深(shen)紅外到極(ji)紫(zi)外的(de)范(fan)圍。特別是紫(zi)外光(guang)頻梳有望在未來用于(yu)驅動原子核的(de)躍遷，這將(jiang)為時鐘和(he)光譜學研究納(na)米shi界帶來新的可能性。

另一個重大進(jin)展(zhan)是光(guang)纖(xian)激光(guang)頻率梳(shu)。光(guang)纖激光(guang)頻率梳(shu)利(li)用(yong)光(guang)纖組件，可以(yi)長時間連續運行。科學(xue)家們還在(zai)研究和(he)測(ce)試如何將光(guang)纖激光(guang)頻率梳(shu)應用(yong)于(yu)太空，通過不斷(duan)改進光(guang)纖激光(guang)頻率梳(shu)的(de)性能、功率和(he)耐用(yong)性，以(yi)適(shi)應新的(de)應用(yong)和(he)環境。

盡管許(xu)多頻率梳目前的尺寸大約(yue)相當于一(yi)個鞋(xie)盒，但科學(xue)家(jia)們(men)(men)一(yi)直在(zai)努力將其尺寸縮(suo)小，片上光(guang)頻梳在(zai)數據中心和(he)(he)其他高性能(neng)計算系統中具(ju)有更大的商(shang)業應用(yong)潛力。特別(bie)是(shi)，其光(guang)譜學(xue)能(neng)力也可(ke)以整合到智能(neng)手機和(he)(he)可(ke)穿戴技術中，用(yong)于健康監測。然而，實(shi)現這些應用(yong)還面臨一(yi)些挑戰。盡管許(xu)多組件已經(jing)被微(wei)型化，但將它們(men)(men)wan全集成到單(dan)個芯片上仍然具(ju)有挑戰性。

上海昊量光(guang)(guang)電作為國內專業的(de)光(guang)(guang)電設備代(dai)理商，針對(dui)光(guang)(guang)頻梳、微腔光頻梳、fceo測量模塊、鎖相環、高重頻脈沖振蕩器等各類光電設備都可(ke)以提供選型(xing)及各項技術服務。對于(yu)任何產品有興(xing)趣或(huo)者有任何問題，都歡迎通過電話、電子郵件或(huo)者微(wei)信與我們聯系(xi)。

在未來，科(ke)學(xue)家們將繼續(xu)探索各種(zhong)類型光頻梳的(de)巨大潛力(li)，并努(nu)力(li)克服(fu)目前面臨的(de)技(ji)術和(he)工程難題。這些努(nu)力(li)將為光頻梳的(de)進(jin)一(yi)步發展和(he)應用開(kai)辟新的(de)道路，為科(ke)學(xue)研究和(he)商業應用帶來更多的(de)創新和(he)機會(hui)。

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