就像米尺用數(shù)百個刻度線來精確測量距離一樣，激光頻率梳有數(shù)百個均勻分布且邊界清晰的頻率，可以用來精準測量光波的顏色。均勻間隔的頻率類似于梳子齒，因此得名激光頻率梳。它使新一代原子鐘成為可能，大大增加了通過光纖的信號數(shù)量，以及通過辨別星光中微小頻率變化，找到隱藏的行星。

美國國家標準與技術研究院（NIST）和加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校（UCSB）的科學家們合作研發(fā)了一種新型的芯片上的“微梳”，通過提升和拓展這些微型設備的能力來促進時間頻率測量技術的進步。

圖：實驗裝置在低溫冷卻的激光微諧振器頻率梳中生成一組穩(wěn)定的頻率。半導體鋁砷化鎵制成的環(huán)形微諧振器足夠小，可以安裝在微芯片上，并且以非常低的激光功率工作。

這種頻率微梳的核心是一個光學微諧振器，這個環(huán)形裝置的寬度約為人一根頭發(fā)的厚度。來自外部激光的光在其周圍形成高強度。由玻璃或氮化硅制成的微梳通常需要用于外部激光的放大器，使得梳子本身變得復雜、難以處理且生產(chǎn)成本極高。

NIST和UCSB的研究人員已證明，如果用半導體鋁砷化鎵制作微梳將具有兩個重要特性：這種頻率梳在極低功率下工作，因此不需要放大器；同時可以產(chǎn)生超穩(wěn)頻率，這正是使用微芯片梳作為靈敏工具精準測量頻率所需的能力。該項研究屬于“芯片上的NIST”項目。

研究人員認為，該微梳技術可以幫助工程師和科學家在實驗室外進行精確光頻率測量。另外，通過類似用于制造微電子產(chǎn)品的納米制造技術可以大量生產(chǎn)微梳。

UCSB的科學家們研發(fā)了由砷化鋁鎵構成的微諧振器，用這種微諧振器制成的頻率梳僅需由其他材料制成設備功率的百分之一。同時，NIST團隊將微諧振器放置在比絕對零度低4度的溫度下探測該設備。低溫實驗表明，激光產(chǎn)生熱量與微諧振器中循環(huán)光之間的相互作用是導致設備生成所需高穩(wěn)定頻率的唯一障礙。

在低溫下，研究小組證明了它可以達到所謂的“孤子狀態(tài)”，即在這種狀態(tài)下，單個光脈沖不會改變其形狀，頻率或在微諧振器內(nèi)循環(huán)速度。有了這樣的孤子，頻率梳的所有齒都彼此同相，可以用作標尺來測量光鐘、頻率合成或激光測距中使用的頻率。

研究人員將該成果發(fā)表在2020年6月出版的《激光與光子學評論》雜志中。

（譯：車薇娜 / 圖：NIST）