編者注：這篇文章最初發表於2008年4月號，現重新發布以突出《大眾科學》中諾貝爾獎的長期交織歷史。
眨眼之間，可見光波會完成一千萬億 (1015) 次振盪，即週期。這個非常大的數字既帶來了機遇，也帶來了挑戰。機遇預示著實驗室內外無數的應用。它們觸及了我們以極高精度測量頻率和時間的能力的核心，科學家們依靠這種能力來進行一些對自然規律的最佳測試——例如，GPS系統就依賴於此。挑戰的中心一直在於，使用在低得多的頻率（例如微波）的電磁波方面非常有效的技術來操縱光是不可能的。
現在，由於雷射物理學近十年來取得了革命性的進展，研究人員掌握了可以釋放可見光高頻率先前使我們無法實現的潛在能力的技術。特別是，科學家們開發了利用一種稱為光學頻率梳的雷射的工具。像一個多功能的游標尺，具有成千上萬個緊密間隔的“刻度”，光學頻率梳可以提供非常精確的光測量。這種梳子可以形成一座橋樑，跨越從微波到可見光的巨大頻率差距：非常精確的微波測量可以透過光學梳產生同樣精確的光資料。
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無數應用正在醞釀之中。光學梳將使新一代更精確的原子鐘、超靈敏化學檢測器以及使用雷射控制化學反應的手段成為可能。梳子可以大大提高雷射雷達（光探測和測距）的靈敏度和範圍，還可以大幅增加透過光纖傳輸的訊號數量。
梳子將大大簡化以極高精度測量光頻率的任務。在20世紀，這樣的測量需要一個由博士組成的團隊來執行滿屋子的單頻雷射器。如今，研究生可以透過使用光學頻率梳的簡單裝置獲得類似的結果。新的光學原子鐘也源於這種簡化。就像祖父鍾中的擺錘需要齒輪來記錄其擺動並緩慢轉動時鐘的指標一樣，光學原子鐘使用光學頻率梳來計數光的振盪並將其轉換為有用的電子訊號。就在過去一年中，研究人員已經使用光學梳超越了銫基原子鐘，後者是幾十年來可用的最佳系統。
在某些方面，光學梳的出現改變了局面，類似於大約100年前示波器發明帶來的飛躍。該裝置透過允許直接顯示訊號，開創了現代電子時代，從而促進了從電視到iPhone的一切發展。然而，光的振盪速度比現有最快的示波器快10,000倍。藉助光學梳，顯示波形的相同能力正在用於光。
光學頻率梳應用需要在很寬的頻率範圍內精確控制光。這種控制水平長期以來一直適用於無線電波，但現在才有可能用於光。音樂的類比有助於理解所需的控制水平。在梳子開發之前，雷射器只能產生一種顏色，就像一種單一的光音。它們類似於只有一根弦且沒有指板的小提琴，只能演奏一個音符（暫時忽略音樂音符比純音要豐富得多）。即使演奏一個簡單的樂曲，也需要許多不同的樂器，每一種樂器都經過精心調校。每把小提琴都需要自己的音樂家，就像每個單頻雷射器都需要自己的操作員一樣。
相比之下，一個操作員可以使用光學梳覆蓋整個光譜，不僅像鋼琴家在鋼琴上一樣，而且像鍵盤手演奏可以程式設計來模擬任何樂器甚至整個管絃樂隊的電子合成器一樣。實際上，梳狀技術使數十萬純粹的光音的交響曲成為可能。
梳子的剖析
光學頻率梳由稱為鎖模雷射器的裝置產生，該裝置會產生超短光脈衝。要了解此類脈衝的重要特徵，首先要想象另一種主要型別的雷射器，即連續波（CW）雷射器的光波。理想情況下，這樣的波將是完全規則振盪的無休止的流（表示光波的電場），每個波峰和波谷都具有相同的振幅並以不變的速率到達。相比之下，來自鎖模雷射器的脈衝是一系列短波峰和波谷，其振幅從零上升到最大值，然後又降回零。持續時間小於10飛秒的最短脈衝僅包含光波的幾個完整振盪。脈衝的一般輪廓（其整體上升和下降）稱為其包絡。可以將脈衝視為類似於較早的連續波（“載波”），該波的振幅乘以包絡的變化高度。
載波由一個純頻率的光組成。它的頻譜圖在該頻率處將具有一個尖峰，表示僅存在該頻率。您可能會認為您正在想象的脈衝也僅由該頻率的光組成——畢竟，它只是振幅發生變化的單頻載波——但波和光譜的工作方式並非如此。相反，脈衝由許多頻率的光組成，它們一起傳播。這些頻率形成一個小的連續帶，以載波頻率為中心。脈衝越短，頻率的擴充套件範圍就越寬。
鎖模雷射器發射的脈衝的另外兩個特徵是開發光學頻率梳的關鍵。首先，相對於載波稍微移動包絡會導致略有不同的脈衝。脈衝包絡的峰值可能與載波的波峰同時發生，但也可能移動到振盪的任何其他階段。位移量稱為脈衝的相位。
其次，鎖模雷射器以非常規則的速率（稱為重複率）發射脈衝序列。這種脈衝序列的頻譜不會在載波頻率的每一側形成連續的擴充套件，而是分解成許多離散的頻率。繪製出來，頻譜看起來像髮梳的齒，精確地間隔雷射器的重複率。
典型的重複率約為一千兆赫（每秒十億次迴圈），比現代計算機處理器稍慢。如果以一千兆赫的頻率間隔，跨越可見光譜的光學梳將具有400,000個齒。科學家可以使用高速光電二極體（依次檢測每個脈衝）非常精確地測量千兆赫（微波）範圍內的重複率，並且光學梳似乎會將這種精度提高到可見波長。那麼，為什麼不使用頻率梳的齒作為參考點進行測量呢？
但是，有一個陷阱。它與相位有關。如果脈衝序列中每個脈衝的相位完全相同，那麼一切都很好，因為在這種情況下，梳齒將精確地位於重複率的整數倍處。因此，一旦測量了雷射的重複率，您就會知道齒的位置。
但是，通常情況下，相位會從一個脈衝到下一個脈衝變化一個不可預測但固定的量。在這種情況下，梳齒的頻率會從重複率的精確整數倍移開，偏移量稱為偏移頻率。要了解梳齒的頻率，必須測量該頻率以及重複率。測量偏移頻率是光學梳取得進展的障礙。這一障礙在2000年被徹底消除。這需要兩個獨立雷射研究分支的科學家的共同努力和新材料的發現。
學科融合
在過去的40年中，超快雷射研究人員（那些專注於製造和使用最短脈衝的研究人員）在很大程度上忽略了脈衝相位和理想脈衝序列的理論梳狀光譜。他們的實驗通常只取決於單個脈衝的強度，在這種情況下，相位沒有任何影響。儘管超快社群的成員經常測量其鎖模雷射器的光譜，但他們很少以足夠的解析度來觀察底層梳狀光譜；相反，這些線會混合在一起，看起來像一個連續的頻率帶。
高解析度測量是精密光譜學和光學頻率計量學專家的領域，其中高度穩定的連續波雷射器是首選工具。如前所述，連續波雷射器以精確的頻率發射穩定的光流，其頻譜看起來像一個尖銳的尖峰。計量學界沒有多少研究人員瞭解鎖模雷射器的工作原理，而那些瞭解它們的人則懷疑這種雷射器實際上能否產生定義明確的梳狀光譜。他們預計脈衝的定時或相位的適度波動會將其沖刷掉。
但少數研究人員，最值得一提的是德國加興馬克斯·普朗克量子光學研究所的西奧多·W·漢施，相信鎖模雷射器終有一天會成為高精度光譜學和計量學的有用工具。在 20 世紀 70 年代，漢施在斯坦福大學任教期間，使用鎖模染料雷射器（其使用彩色液體染料作為產生雷射的介質）進行了一系列測量，從而確立了梳狀光譜及其偏移頻率的基本概念。這些種子隨後休眠了近 20 年，直到雷射技術發展到足以使梳狀光譜的進一步發展成為現實的程度。
在 20 世紀 80 年代後期，當時在馬薩諸塞州康科德市的施瓦茨電子光學公司的彼得·莫爾頓，開發了摻鈦藍寶石作為具有大頻寬的雷射增益介質。蘇格蘭聖安德魯斯大學的威爾遜·西貝特在 20 世紀 90 年代初率先將其用於鎖模雷射器。在短短幾年內，摻鈦藍寶石雷射器能夠常規產生短於 10 飛秒的脈衝，相當於僅僅三個光週期[參見約翰-馬克·霍普金斯和威爾遜·西貝特的文章“超短脈衝雷射：瞬間的巨大回報”，《大眾科學》，2000 年 9 月]。
隨著這些摻鈦藍寶石雷射器的出現，漢施重新啟用了他 20 年前關於光學頻率梳的想法。他在 20 世紀 90 年代後期進行了一系列實驗，證明了鎖模雷射器的潛在潛力。在一次測量中，他表明輸出光譜兩端的梳狀線彼此之間定義明確。結果表明，梳齒就像刻在鋼尺上的標記，而不是像沿著橡皮筋繪製的線條。在另一項實驗中，他使用鎖模雷射器測量了銫原子中的光學躍遷頻率（一種以精確頻率吸收或發射光的狀態變化），以跨越兩個連續波雷射器之間的頻率差。他的結果激勵了我們一組人開始在該領域進行認真的研究。
在國家標準與技術研究院（NIST）和科羅拉多大學博爾德分校的聯合研究所 JILA，我們處於獨特的地位，可以利用雷射物理學兩個分支的技術進步並加以發展。JILA 在光學頻率計量學和精密光譜學方面擁有悠久的傳統，這很大程度上建立在我們其中一人（霍爾）40 多年來開發的超穩連續波雷射技術之上。1997 年，我們中的另一人（坎迪夫）加入了 JILA，帶來了鎖模雷射器和短脈衝技術的專業知識。我們經過多次走廊和午餐桌上的對話，才克服了我們概念上的分歧，並決定與一對博士後研究員：現在在 NIST 的斯科特·迪達姆斯和現在在不列顛哥倫比亞大學的大衛·瓊斯聯手合作。我們中的第三人（葉）在 1999 年夏天加入了 JILA 的樂趣，當時革命真正開始；他很快就引領了尋找新的頻率梳應用之路。
神奇光纖 儘管漢施的結果令人印象深刻，但我們知道他的動機是處理掉他的大部分複雜裝置。然而，實現這種簡化的技術要求鎖模雷射器產生巨大的頻寬，最好是一個八度音程。（八度音程是指頻率中的二倍因數，無論是在音樂、電子學還是光學中。）儘管當時摻鈦藍寶石雷射器產生了令人印象深刻的頻寬，但它們仍然無法產生一個八度音程的光。
最後一塊拼圖在 1999 年的雷射與電光會議上到位，當時貝爾實驗室的吉寧德拉·蘭卡發表了一篇關於一種被稱為微結構光纖的新型光纖的論文。在這種介質中，光纖中的微米級氣孔沿著其纖芯引導光線。光纖的特性允許摻鈦藍寶石雷射器產生的頻率脈衝沿著它傳播而不會被拉伸（就像普通光纖和大多數其他光學介質中發生的那樣）。缺乏拉伸使脈衝強度保持在高水平，這反過來導致比普通光纖中發生的光譜展寬大得多[參見羅伯特·R·阿爾法諾的文章“終極白光”，《大眾科學》，2006 年 12 月]。結果在視覺上令人驚歎。摻鈦藍寶石雷射器的輸出位於近紅外區域，恰好超出人類視覺的極限。它在人眼中呈現為微弱的紅色。微結構光纖中的光譜展寬將微弱的紅色轉換為可見波長，導致光纖發出彩虹般連續的顏色。
1999 年秋天，我們設法獲得了一些這種神奇光纖。時機再好不過了。我們剛剛完成了一系列實驗，證明了使用摻鈦藍寶石雷射器跨越的間隙幾乎是漢施最初演示的三倍。我們已經有了一個正在執行的裝置，幾乎可以將新的微結構光纖放入其中。在收到貝爾實驗室的快遞包裹後的兩週內，我們完成了一項原理驗證實驗，表明微結構光纖中的光譜展寬保留了原始雷射脈衝中的頻率梳狀結構。
八度音程光譜的重要性在於，它可以直接將偏移頻率測量為射頻，從而克服了上述使用梳狀光譜測量其他頻率的障礙。在給定八度音程光譜的情況下，有幾種確定偏移頻率的特定方法，其中許多方法可以追溯到無線電工程中在高速計數器廣泛使用之前用於測量頻率的技術。（計數器透過簡單地計算無線電波每單位時間發生的振盪次數來完成工作，但無法跟上光線具有的更高頻率。）我們現在將描述用於測量偏移頻率的最簡單和最通用的方法 - 自參考。
關鍵的想法是，八度音程光譜使科學家能夠比較光譜兩端兩個梳狀線的頻率。如果偏移頻率為零，那麼光譜低頻端的每一條線在光譜高頻端都有一條頻率恰好是其兩倍的對應線。任何偏離這個精確比率的情況，結果都恰好是偏移頻率。該方案被稱為自參考，因為人們是將梳狀光譜的光與自身進行比較。
自參考在實踐中是透過將一些雷射透過所謂的二次諧波產生晶體來實現的，該晶體會使光的頻率加倍。因此，可以使用僅反射較長波長光但允許較短波長光透過的反射鏡，分離出形成梳狀光譜低頻端的光，然後將其傳送到倍頻晶體，最後將其和梳狀光譜高頻端的光導向同一個光電探測器。組合光線的強度會振盪 - 它像一個調諧和失諧的音符的組合聲音一樣“跳動”。在這兩種情況下，拍頻的頻率都等於失諧量。對於光脈衝，拍頻的頻率與梳狀光譜的偏移頻率相同，因為每個倍頻的低端線都將與高階線失諧該量。在電子學和光學中，這種組合訊號以獲得拍頻的過程稱為外差檢測。
重新定義時間 基於光學頻率梳的光學頻率計量學的簡單性只有與它們發展之前的技術進行比較才能體會到。簡而言之，這些技術由頻率倍增鏈組成，其中鏈中的每個環節都由一個振盪器組成，該振盪器的頻率是前一個環節的倍數。鏈中的第一個環節是銫鐘，一種用作國際時間標準（定義秒）的原子鐘。銫鐘基於銫原子吸收的 9 千兆赫微波。要從 9 千兆赫一直達到可見光的頻率（至少 40,000 倍），需要大約十幾個階段。每個階段都使用不同的技術，包括用於可見光的雷射器。執行這些鏈條需要大量的資源和人員；世界上只建造了少數幾個，並且測量是間歇性進行的。此外，在實踐中，鏈條中的許多環節會降低最終光學頻率測量的精度。
一旦發明了穩定的光學頻率梳，精確測量連續波雷射的頻率就容易得多。與頻率鏈一樣，基於梳狀光譜的頻率測量仍然必須參考銫鐘。正如我們現在將看到的，銫鐘測量高達約 9 千兆赫頻率的能力是您使用光學梳確定雷射線頻率所需的全部。需要涉及梳狀光譜的幾條資訊。首先，正如我們之前討論的那樣，必須測量梳狀光譜的偏移頻率及其線的間距。從這兩個數字可以計算出所有梳狀線的頻率。接下來，將未知雷射與梳狀光譜的光組合以獲得它與最近的梳狀線之間的拍頻（即頻率差）。
這三個頻率都在微波範圍內，可以使用銫鐘非常精確地測量。回想一下，梳狀光譜的線間距與產生梳狀光譜的脈衝的重複率相同。大多數鎖模雷射器以 10 千兆赫或更低的重複率執行，這使得該量很容易透過銫鐘測量。偏移頻率和拍頻也都可以在銫鐘的測量範圍內，因為它們必須小於梳狀間距。
必須確定另外兩個資料：未知雷射最接近哪個梳狀線以及在哪一側？商用波長計可以將光線的頻率測量到小於 1 千兆赫，這足以回答這兩個問題。在沒有這種波長計的情況下，可以系統地改變重複率和偏移頻率以監測拍頻如何響應變化。有了足夠的資料點，就可以計算出線必須在哪裡。
光學梳的簡單性不僅增加了世界各地的科學家進行這些極其精確的頻率測量的頻率，而且大大降低了這些測量中的不確定性。這些好處可能有一天會導致光學時間標準取代目前基於微波銫的標準。考慮到這一點，由詹姆斯·C·伯奎斯特領導的 NIST 小組和由葉領導的 JILA 小組一直在測量相對於使用光和梳狀光譜產生輸出訊號的時鐘的頻率。使用這些最佳時鐘進行的測量中的不確定性已經小於使用最佳銫標準進行的測量中的不確定性。這是一個激動人心的時刻，世界各地的許多實驗室都準備好建立可以超越幾十年來一直作為主要頻率標準的光學頻率標準。美國國家標準與技術研究院的利奧·霍爾伯格小組以及其他地方的其他小組的測量結果表明，光學梳的內在極限仍然比當前光學頻率測量中的不確定性好幾個數量級。
越來越高
然而，採用光學時間標準仍需數年時間。計量學家必須首先仔細評估眾多原子和離子的光學躍遷，然後才能選擇似乎最適合作為標準的一個。除了梳狀雷射器的許多實際應用外，基礎梳狀雷射器研究也在許多方面快速發展。例如，葉小組可以使用單個梳狀雷射器同時靈敏地檢測原子和分子的許多不同躍遷。因此，可以在一次測量中分析原子的整個能態範圍。或者，可以將此技術應用於檢測樣品中的多種痕量物質。
梳狀雷射器技術已經對研究原子和分子如何響應在強烈的超短光脈衝中獲得強電場產生了巨大影響。這項工作的大部分由漢施的合作者費倫茨·克勞斯領導，他現在在馬克斯·普朗克量子光學研究所工作。除其他成就外，他的小組利用電子的響應來測量雷射超短脈衝的電場並顯示波形，就像在示波器上顯示射頻波一樣。克勞斯使用光學梳狀雷射器來穩定脈衝的相位，使其脈衝間的波形保持不變。
另一個非常活躍的研究領域是尋求將梳狀雷射器技術推向電磁頻譜的更高頻率。（產生較低頻率的梳狀雷射器，包括從微波一直到可見光的梳狀雷射器，是直接的。）2005年，吉拉的葉小組和加興的漢施小組在極紫外（頻率略低於X射線）中生成了精確的頻率梳。科學家們正在使用這種擴充套件的梳狀雷射器來研究原子和分子在極紫外雷射下的精細結構。
在短短幾年內，光學頻率梳已經從少數科學家研究的研究問題，發展成為一種在廣泛的應用和基礎研究中使用的工具。我們才剛剛開始探索這些光尺的全部潛力。