用频率梳开辟新天地创新与节拍一起玩

一项名为频率梳的诺贝尔奖获奖技术的改进使其能够以比以前更高的灵敏度测量光脉冲到达时间——可能会改进距离测量以及精确计时和大气传感等应用。

这项由美国国家标准与技术研究院(NIST)的科学家创造的创新代表了一种使用频率梳技术的新方法，科学家们将其称为“时间可编程频率梳”。到目前为止，频率梳激光器需要产生具有节拍规律的光脉冲以实现其效果，但NIST团队已经表明，操纵脉冲的时间可以帮助频率梳在比可能的更广泛的条件下进行准确测量.

NIST博尔德校区的物理学家、该论文的作者之一劳拉·辛克莱(LauraSinclair)说：“我们基本上打破了频率梳的这一规则，该规则要求它们使用固定的脉冲间隔进行精确操作。”“通过改变我们控制频率梳的方式，我们摆脱了必须做出的权衡取舍，因此即使我们的系统只有一点光可以使用，现在我们也可以获得高精度的结果。”

该团队的工作在《自然》杂志上有所描述。

通常被描述为光的标尺，频率梳是一种激光，其光由许多可以精确测量的明确定义的频率组成。查看显示器上的激光光谱，每个频率都会像梳子的一个齿一样突出，因此该技术得名。在为NIST的JanHall赢得2005年诺贝尔物理学奖的一部分后，频率梳已在许多应用中得到应用，从精确计时到寻找类地行星再到温室气体检测。

尽管它们目前有许多用途，但频率梳确实具有局限性。该团队的论文试图解决在实验室外在信号可能非常微弱的更具挑战性的情况下使用频率梳进行精确测量时出现的一些限制。

自从他们发明后不久，频率梳就可以高度精确地测量距离。在某种程度上，这种准确性源于梳子使用的广泛的光频率阵列。雷达使用无线电波来确定距离，根据信号的脉冲宽度，它的精确度从厘米到数米不等。

来自频率梳的光脉冲比无线电短得多，可能允许精确到纳米(nm)或十亿分之一米的测量-即使探测器距离目标很多公里。频率梳技术的使用最终可以实现卫星的精确编队飞行，以协调地感知地球或空间，改进GPS，并支持其他超精确导航和授时应用。

使用频率梳进行距离测量需要两个频率梳，它们的激光脉冲时序紧密协调。来自一个梳状激光器的脉冲被远处的物体反射回来，就像雷达使用无线电波一样，第二个梳状激光器的重复周期略有偏移，可以非常准确地测量它们的返回时间。

这种高精度带来的限制与探测器需要接收的光量有关。根据其设计的性质，探测器只能记录来自测距激光器的光子，这些光子与来自第二个梳状激光器的脉冲同时到达。到目前为止，由于重复周期的轻微偏移，这些脉冲重叠之间存在相对较长的“死区时间”，在重叠之间到达的任何光子都丢失了信息，对测量工作毫无用处。这使得一些目标很难看到。

在这种情况下，物理学家对他们的愿望有一个术语：他们希望在“量子极限”下进行测量，这意味着他们可以考虑到每一个携带有用信息的可用光子。检测到的光子越多意味着发现目标距离快速变化的能力越强，这是其他频率梳应用的目标。但是，尽管迄今为止取得了所有成就，但频率梳技术的运行距离该量子极限还很远。

“频率梳通常用于以极高的精度测量距离和时间等物理量，但大多数测量技术浪费了大部分光，99.99%或更多，”辛克莱说。“相反，我们已经证明，通过使用这种不同的控制方法，您可以摆脱这种浪费。这可能意味着测量速度、精度的提高，或者它允许使用更小的系统。”

该团队的创新涉及控制第二个梳子脉冲时间的能力。数字技术的进步允许第二个梳“锁定”返回信号，消除了先前采样方法产生的死区时间。尽管控制器必须“大海捞针”，但仍会发生这种情况——脉冲相对较短，仅持续它们之间的死区时间的0.01%。

在初始采集后，如果目标移动，数字控制器可以调整时间输出，使第二梳的脉冲加快或减慢。这允许脉冲重新对齐，以便第二个梳子的脉冲始终与从目标返回的脉冲重叠。这个调整后的时间输出正好是到目标距离的两倍，并以频率梳的精确特性返回。

正如该团队所说，这种时间可编程频率梳的结果是一种能够充分利用可用光子并消除死区时间的检测方法。

“我们发现我们可以快速测量到目标的距离，即使我们只有微弱的信号返回，”辛克莱说。“由于检测到每个返回的光子，我们可以精确测量标准量子极限附近的距离。”

与标准双梳测距相比，该团队发现所需的接收功率降低了37分贝，换句话说，只需要以前所需光子的0.02%左右。

这项创新甚至可以实现对遥远卫星的未来纳米级测量，该团队正在探索其时间可编程频率梳如何使其他频率梳传感应用受益。