基于芯片的设备(称为频率梳)能够以无与伦比的精度测量光波的频率，彻底改变了计时、太阳系外行星的探测和高速光通信。

现在，美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的科学家及其合作者开发了一种创建梳子的新方法，有望提高其本来就非常精确的精度，并允许他们测量以前无法达到的频率范围内的光。扩展的范围将使频率梳能够探测细胞和其他生物材料。

研究人员在《自然光子学》上描述了他们的工作。该团队包括来自比利时布鲁塞尔自由大学的 François Leo 及其同事、法国第戎勃艮第大学的 Julien Fatome，以及来自 NIST 和马里兰大学合作研究联合量子研究所的科学家。

这些新设备在小型玻璃芯片上制造，其工作方式与以前基于芯片的频率梳(也称为微梳)完全不同。

频率梳充当光的尺子。正如普通尺子上均匀间隔的刻度线测量物体的长度一样，微梳上均匀间隔的频率尖峰测量光波的振荡或频率。

研究人员通常采用三个元件来构建微梳：单个激光器，称为泵浦激光器;一个微小的环形谐振器，最重要的元件;以及在两者之间传输光的微型波导。注入波导的激光进入谐振器并绕环传播。通过仔细调整激光的频率，环内的光可以变成孤子——一种在移动时保持其形状的孤波脉冲。

每次孤子绕环完成一次往返时，一部分脉冲就会分裂并进入波导。很快，一整列窄脉冲(类似于尖峰)充满了波导，每个尖峰在时间上以相同的固定间隔分开，即孤子完成一圈所需的时间。尖峰对应于一组均匀间隔的频率，并形成频率梳的刻度线或“齿”。

这种产生微梳的方法虽然有效，但只能产生以泵浦激光器频率为中心的频率范围的梳。为了克服这一限制，NIST 研究人员 Grégory Moille 和 Kartik Srinivasan 与新西兰奥克兰大学 Miro Erkintalo 和多德沃尔斯光子与量子技术中心领导的国际研究小组合作，从理论上预测，然后通过实验证明一种生产孤子微梳的新工艺。

新方法不使用单个激光器，而是使用两个泵浦激光器，每个泵浦激光器以不同的频率发射光。两个频率之间复杂的相互作用产生一个孤子，其中心频率恰好位于两种激光颜色之间。

该方法使科学家能够在不再受泵浦激光器限制的频率范围内生成具有新颖特性的梳子。例如，通过生成跨越与注入泵浦激光器不同频率的梳子，这些设备可以让科学家研究生物化合物的成分。

除了这种实际优势之外，这种新型微梳(称为参数驱动微梳)背后的物理原理可能会带来其他重要的进步。一个例子是与微梳的各个齿相关的噪声的潜在改善。

在单激光产生的梳子中，泵浦激光仅直接雕刻中央牙齿。结果，齿距梳子中心越远，齿就越宽。这是不可取的，因为较宽的牙齿无法像较窄的牙齿那样精确地测量频率。

在新的梳子系统中，两个泵浦激光器塑造每个牙齿的形状。根据理论，这应该会产生一组同样窄的牙齿，从而提高测量的准确性。研究人员现在正在测试这一理论预测是否适用于他们制造的微梳。

双激光系统提供了另一个潜在优势：它产生两种类型的孤子，这可以比喻为具有正号或负号。特定孤子是负的还是正的完全是随机的，因为它是由两个激光器之间相互作用的量子特性产生的。

这可能使孤子能够形成完美的随机数生成器，这在创建安全密码和解决一些普通非量子计算机无法解决的统计和量子问题方面发挥着关键作用。

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