在眨眼之間，可見光波完成了一千萬億 (1015) 次振盪或週期。這個非常大的數字既帶來了機遇，也帶來了挑戰。這些機遇預示著實驗室內外眾多的應用。它們直擊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對自然規律進行一些最佳的檢驗——而全球定位系統 (GPS) 等就依賴於此。挑戰的中心在於，對於頻率低得多的電磁波（如微波），我們使用的技術非常有效，但對於光，卻不可能用這些技術來操控。
現在，得益於雷射物理學領域近十年的革命性進展，研究人員掌握了可以釋放可見光高頻潛力的技術，而高頻潛力之前一直使我們無法實現。特別是，科學家們已經開發出利用一種稱為光學頻率梳的雷射的工具。光學頻率梳就像一把多功能的光之標尺，上面有成千上萬個緊密間隔的“刻度線”，可以對光進行極其精確的測量。這種梳狀結構可以形成一座橋樑，跨越從微波到可見光的巨大頻率鴻溝：藉助光學梳，非常精確的微波測量可以產生同樣精確的光資料。
無數的應用正在醞釀之中。光學梳將使新一代更精確的原子鐘、超靈敏的化學探測器以及利用雷射控制化學反應的方法成為可能。光梳可以極大地提高雷射雷達（light detection and ranging）的靈敏度和範圍，並且還可以大幅增加透過光纖傳輸的訊號數量。
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光梳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，執行滿是單頻雷射器的房間。如今，一位研究生可以使用簡單的光學頻率梳裝置就能獲得類似的結果。新型光學原子鐘也源於這種簡化。就像落地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，研究人員已經使用光學梳超越了銫原子鐘，而銫原子鐘是幾十年來可用的最佳系統。
在某些方面，光學梳的劃時代問世類似於大約 100 年前示波器的發明所帶來的飛躍。該裝置透過允許直接顯示訊號，預示了現代電子時代的到來，從而促進了從電視到 iPhone 的一切事物的開發。然而，光的振盪速度比最快的可用示波器快 10,000 倍。藉助光學梳，顯示光波形的能力也正在變為現實。
光學頻率梳應用需要對整個寬頻率範圍內的光進行精確控制。長期以來，無線電波已經可以實現這種控制水平，但現在才有可能對光實現這種控制。音樂的類比有助於理解所需的控制水平。在光梳開發之前，雷射只能產生單一顏色，就像單一的光音調。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調豐富得多）。即使要演奏一首簡單的樂曲，也需要許多不同的樂器，每種樂器都經過精心調音。每把小提琴都需要自己的演奏者，就像每臺單頻雷射器都需要自己的操作員一樣。
相比之下，一位操作員可以使用光學梳來覆蓋整個光譜，不僅像鋼琴家彈鋼琴，而且像鍵盤手演奏電子合成器，可以程式設計來模仿任何樂器甚至整個管絃樂隊。實際上，光梳技術實現了由成千上萬種純光音調組成的交響樂。
光梳的解剖
光學頻率梳由稱為鎖模雷射器的裝置產生，該裝置產生超短光脈衝。要理解這種脈衝的重要特徵，首先想象另一種主要型別的雷射器（連續波 (CW) 雷射器）的光波。理想情況下，這種波將是完美規則振盪（代表光波的電場）的無盡流，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，然後再降回零。最短的脈衝，持續時間少於 10 飛秒，僅包含光波的幾個完整振盪。脈衝的總體輪廓（其整體上升和下降）稱為其包絡。可以將脈衝視為像早期的連續波（“載波”），該波的振幅乘以包絡的不斷變化的高度。
載波由一種純頻率的光組成。它的頻譜圖在該頻率處會有一個單峰，表示僅存在該頻率。您可能會期望您想象的脈衝也僅由該頻率的光組成——畢竟，它只是單頻載波，其振幅發生了變化——但波和頻譜並非如此工作。相反，脈衝由許多頻率的光組成，這些光一起傳播。這些頻率形成以載波頻率為中心的小的連續帶。脈衝越短，頻率的分佈就越寬。
鎖模雷射器發射的脈衝的另外兩個特徵是光學頻率梳髮展的關鍵。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出現，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（稱為重複頻率）發射脈衝序列。這種脈衝序列的頻譜不是在載波頻率兩側形成連續分佈，而是分解成許多離散頻率。繪製後，頻譜看起來像頭髮梳子的齒，以雷射器的重複頻率精確間隔。
典型的重複頻率約為 1 吉赫茲（每秒十億次週期），略低於現代計算機處理器。如果光學梳的齒以 1 吉赫茲間隔，則跨越可見光譜的光學梳將有 400,000 個齒。科學家可以使用高速光電二極體非常準確地測量吉赫茲（微波）範圍內的重複頻率，該二極體依次檢測每個脈衝，而光學梳似乎可以將這種精度提升到可見波長。那麼，為什麼不將頻率梳的齒用作測量的參考點呢？
然而，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頻率的整數倍處。因此，一旦您測量了雷射器的重複頻率，您就會知道齒的位置。
但是，通常情況是，相位從一個脈衝到下一個脈衝會發生一些不可預測但固定的變化量。在這種情況下，梳齒在頻率上會偏離重複頻率的精確整數倍，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頻率。測量偏移頻率是光學梳進展的障礙。這一障礙在 2000 年被響亮地打破。這需要雷射研究的兩個獨立分支的科學家的共同努力以及一種新材料的發現。
匯聚學科
在過去 40 年的大部分時間裡，超快雷射研究人員（那些專注於製造和使用最短脈衝的人）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頻譜。他們的實驗通常僅取決於單個脈衝的強度，在這種情況下，相位沒有影響。儘管超快社群的成員經常測量其鎖模雷射器的頻譜，但他們很少以足夠的解析度進行測量以觀察潛在的梳狀頻譜；相反，這些線會混合在一起，看起來像一個連續的頻帶。
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出穩定的光流，其頻譜看起來像一個尖銳的峰值。計量學界的許多研究人員並不瞭解鎖模雷射器的工作原理，而那些瞭解鎖模雷射器的人則懷疑這種雷射器在實踐中是否可以產生明確的光梳頻譜。他們預計脈衝定時或相位的適度波動會將其沖刷掉。
但是，一些研究人員，最著名的是德國加興馬克斯普朗克量子光學研究所的特奧多爾·W·漢施，相信鎖模雷射器有一天可以成為高精度光譜學和計量學的有用工具。在 1970 年代，當漢施還是斯坦福大學的教員時，他使用鎖模染料雷射器（它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，這些測量確立了梳狀頻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光梳的進一步發展變得實用為止。
在 1980 年代後期，當時在馬薩諸塞州康科德的施瓦茨電光公司的彼得·莫爾頓開發了鈦摻雜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 1990 年代初期率先將其用於鎖模雷射器。在短短幾年內，鈦藍寶石雷射器通常產生短於 10 飛秒的脈衝，僅對應於三個光週期[參見約翰-馬克·霍普金斯和威爾遜·西貝特的“超短脈衝雷射器：閃光中的巨大回報”；《大眾科學》，2000 年 9 月]。
隨著這些鈦藍寶石雷射器的問世，漢施撣去了他 20 年前的光學頻率梳想法上的灰塵。他在 1990 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。在一項測量中，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。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（它們狀態的變化會以精確的頻率吸收或發射光），以跨越兩個連續波雷射器之間的頻率差。他的結果啟發了我們小組在該領域進行認真的研究。
在 JILA，美國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，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有著悠久的傳統，這主要建立在其中一位作者 (Hall) 在 40 多年中開發的超穩連續波雷射技術之上。1997 年，另一位作者 (Cundiff) 加入了 JILA，帶來了鎖模雷射器和短脈衝技術的專業知識。我們進行了多次走廊和餐桌談話，才克服了概念上的分歧，並決定與一對博士後研究員合作：斯科特·迪達姆斯（現任職於 NIST）和大衛·瓊斯（現任職於不列顛哥倫比亞大學）。我們中的第三位作者 (Ye) 在 1999 年夏天加入了 JILA 的樂趣，當時革命才剛剛開始認真進行；他很快就率先找到了新頻率梳的應用。
魔法光纖
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，最好是一個倍頻程。（倍頻程是頻率的二倍因子，無論是在音樂、電子學還是光學中。）儘管當時的鈦藍寶石雷射器產生了令人印象深刻的頻寬，但它們還不能產生一個倍頻程的光。
最後一塊拼圖在 1999 年的雷射和電光會議上拼湊完成，當時貝爾實驗室的 Jinendra Ranka 發表了一篇關於一種新型光纖（稱為微結構光纖）的論文。在這種介質中，光纖中的微米尺寸氣孔沿著其纖芯引導光。光纖的特性允許鈦藍寶石雷射器產生的頻率的脈衝沿其傳播而不會被拉伸（就像在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較高水平，這反過來導致比普通光纖中發生的頻譜展寬更大[參見羅伯特·R·阿爾法諾的“終極白光”；《大眾科學》，2006 年 12 月]。結果在視覺上令人驚歎。鈦摻雜藍寶石雷射器的輸出在近紅外，恰好超出人類視覺的極限。肉眼看起來是淡淡的紅色。微結構光纖中的頻譜展寬將淡淡的紅色轉換為可見波長，使光纖發出彩虹的連續顏色。
在 1999 年秋季，我們設法獲得了一些這種魔法光纖。時間再完美不過了。我們剛剛完成了一系列實驗，證明了使用鈦藍寶石雷射器跨越的間隙幾乎是漢施最初演示的三倍寬。我們已經有一個執行設定，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，我們就完成了一個原理驗證實驗，表明微結構光纖中的頻譜展寬保留了原始雷射脈衝中的頻率梳結構。
倍頻程頻譜的重要性在於，它允許直接將偏移頻率作為射頻進行測量，從而克服了使用光梳測量其他頻率的上述障礙。有幾種確定倍頻程頻譜偏移頻率的具體方法，其中許多方法可以追溯到射頻工程中在高速計數器可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單位時間內發生的振盪次數來完成工作，但無法跟上光具有的更高頻率。）我們現在將描述測量偏移頻率的最簡單和最通用的方法——自參考。
關鍵思想是，倍頻程頻譜使科學家能夠將頻譜兩端的兩條梳狀線的頻率相互比較。如果偏移頻率為零，則頻譜低頻端的每條線在高頻端都有一條頻率正好是其兩倍的對應線。任何偏離此精確比率的情況都恰好是偏移頻率。該方案稱為自參考，因為它是將梳狀光與自身進行比較。
自參考在實踐中透過將一些雷射透過所謂的二次諧波產生晶體來進行，該晶體使光的頻率加倍。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來分離形成梳狀結構的低頻端的光，然後將其傳送透過倍頻晶體，最後將其和梳狀結構的高頻端的光導向同一個光電探測器。組合光的強度會振盪——它會“拍頻”——就像調音和失調音符的組合聲音拍頻一樣。在這兩種情況下，拍頻的頻率都等於失調量。對於光脈衝，拍頻的頻率與光梳的偏移頻率相同，因為每個倍頻的低端線都會從高階線偏移該量。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
只有與光學頻率梳開發之前的技術相比，才能體會到基於光學頻率梳的光學頻率計量的簡單性。簡而言之，這些技術包括頻率倍增鏈，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頻率的倍數。鏈中的第一個環節是銫原子鐘，這是一種用作國際時間標準的原子鐘，它定義了秒。銫原子鐘基於銫原子吸收的 9 吉赫茲微波。要從 9 吉赫茲一直達到可見光的頻率（至少 40,000 倍），需要大約十幾個階段。每個階段都使用了不同的技術，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，鏈條中的許多環節削弱了最終光學頻率測量的精度。
一旦穩定的光學頻率梳被髮明出來，精確測量連續波雷射器的頻率就容易得多。與頻率鏈一樣，基於光梳的頻率測量仍然必須參考銫原子鐘。正如我們現在將看到的那樣，銫原子鐘測量高達約 9 吉赫茲頻率的能力正是您需要使用光學梳來確定雷射線頻率的全部。需要涉及光梳的幾個資訊。首先，正如我們之前討論的那樣，必須測量光梳的偏移頻率及其線的間距。從這兩個數字可以計算出所有光梳線的頻率。接下來，將未知的雷射與光梳的光組合以獲得拍頻（即，它與最近的梳狀線之間的頻率差）。
這三個頻率都在微波範圍內，可以使用銫原子鐘極其精確地測量。回想一下，光梳的線間距與產生光梳的脈衝的重複頻率相同。大多數鎖模雷射器以 10 吉赫茲或更低的重複頻率執行，這使得該量很容易根據銫原子鐘進行測量。偏移頻率和拍頻也在銫原子鐘可以測量的範圍內，因為它們必須小於梳狀線間距。
還需要確定另外兩個資料：未知雷射最接近哪個梳狀線，以及在該線的哪一側？商用波長計可以將光線的頻率測量到小於 1 吉赫茲的精度，這足以回答這兩個問題。在沒有這種波長計的情況下，您可以系統地改變重複頻率和偏移頻率，以監控拍頻響應的變化。有了足夠的資料點，您就可以計算出該線必須在哪裡。
光學梳的簡單性不僅增加了世界各地科學家進行這些極其精確的頻率測量的頻率，而且還大大降低了這些測量的不確定性。這些優勢有一天可能會導致光學時間標準取代當前的基於微波銫的時間標準。考慮到這一點，NIST 由詹姆斯·C·伯奎斯特領導的小組和 JILA 由葉軍領導的小組一直在測量相對於使用光和光梳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的 不確定性已經小於使用最佳銫標準進行的測量的不確定性。這是一個激動人心的時刻，世界各地的許多實驗室都準備建造可以超越幾十年來一直是主要頻率標準的光學頻率標準。NIST 的 Leo Hollberg 小組以及其他地方的其他小組的測量表明，光學梳的內在極限仍然比當前光學頻率測量的不確定性好幾個數量級。
更高和更高
然而，採用光學時間標準仍然是多年以後的事情。計量學家必須首先仔細評估眾多原子和離子光學躍遷，然後選擇似乎最適合標準的一種。
除了光梳的許多實際應用外，基礎光梳研究也在許多方面繼續快速發展。例如，葉軍的小組可以使用單個光梳一次非常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，該技術可以應用於檢測樣品中的許多痕量物質。
光梳技術已經對原子和分子如何響應在強烈的超短光脈衝中獲得的強電場的研究產生了重大影響。這項工作的大部分是由漢施的合作者費倫茨·克勞斯領導的，他現在在馬克斯普朗克量子光學研究所工作。在他的其他成就中，他的小組利用電子對雷射超短脈衝電場的響應來測量電場並顯示波形，就像在示波器上顯示射頻波一樣。克勞斯使用光學梳來穩定脈衝的相位，使其脈衝到脈衝具有不變的波形。
另一個非常活躍的研究領域是尋求將光梳技術推向電磁頻譜的更高頻率。（產生較低頻率的光梳，包括從微波一直延伸到可見光的光梳，是直接的。）2005 年，JILA 的葉軍小組和加興的漢施小組在極紫外線（頻率不遠低於 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光梳來研究原子和分子的精細結構，並使用極紫外雷射。
在短短幾年內，光學頻率梳已從少數科學家研究的研究問題轉變為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之標尺的全部潛力。