一種新型頻率梳可進一步提高計時精度

基于芯片的設(shè)備被稱為頻率梳，它以無與倫比的精度測量光波的頻率，徹底改變了計時、太陽系外行星的探測和高速光通信。

現(xiàn)在，國家標準與技術(shù)研究所（NIST）的科學家及其合作者開發(fā)了一種新的梳子制造方法，有望提高其已經(jīng)非常精確的精度，并允許它們測量以前無法進入的一系列頻率范圍內(nèi)的光。擴展范圍將使頻率梳能夠探測細胞和其他生物材料。

研究人員在《自然·光子學》雜志上描述了他們的工作。該團隊包括來自比利時布魯塞爾自由大學的François Leo及其同事、法國第戎勃艮第大學的Julien Fatome，以及來自聯(lián)合量子研究所的科學家，該研究所是NIST和馬里蘭大學的研究合作伙伴。

圖片:搜狗截圖20240315092624.png

這些新設(shè)備是在一個小玻璃芯片上制造的，它們的工作方式與之前的基于芯片的頻率梳（也稱為微梳）完全不同。

頻率梳可以作為光的標尺。就像普通尺子上均勻間隔的刻度標記可以測量物體的長度一樣，微梳上均勻間隔的頻率尖峰可以測量光波的振蕩或頻率。

研究人員通常使用三個要素來構(gòu)建微型梳子：一個被稱為泵浦激光器的單激光器；一個微小的環(huán)形諧振腔，最重要的元件；以及一個在兩者之間傳輸光的微型波導(dǎo)。注入波導(dǎo)的激光進入諧振腔并在環(huán)上傳播。通過仔細調(diào)整激光器的頻率，環(huán)內(nèi)的光可以變成孤子——一種在移動時保持其形狀的孤波脈沖。

每次孤子完成一次環(huán)行，一部分脈沖就會分裂并進入波導(dǎo)。很快，一整列像尖峰一樣的窄脈沖就會充滿波導(dǎo)，每個尖峰的時間間隔都是固定的，即孤子完成一圈的時間。尖峰對應(yīng)一組均勻間隔的頻率，形成頻率梳的刻度標記或“齒”。

這種產(chǎn)生微梳的方法雖然有效，但只能產(chǎn)生以泵浦激光頻率為中心的一系列頻率的梳子。為了克服這一限制，NIST研究人員Grégory Moille和Kartik Srinivasan與新西蘭奧克蘭大學Miro Erkintalo和多德-沃爾斯光子與量子技術(shù)中心領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組合作，從理論上預(yù)測并實驗證明了產(chǎn)生孤子微梳的新過程。

新方法不是使用單一激光，而是使用兩個泵浦激光器，每個激光器以不同頻率發(fā)光。兩個頻率之間的復(fù)雜相互作用產(chǎn)生了一個孤子，其中心頻率恰好位于兩個激光顏色之間。

該方法使科學家能夠在不受泵浦激光器限制的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生具有新特性的梳狀結(jié)構(gòu)。通過產(chǎn)生與注入的泵浦激光器不同頻率范圍的梳狀結(jié)構(gòu)，該裝置可以使科學家研究生物化合物的組成。

除了這一實際優(yōu)勢外，這種新型微梳（稱為參數(shù)驅(qū)動微梳）的物理學基礎(chǔ)可能會導(dǎo)致其他重要進展。一個例子是微梳單個齒的噪聲可能得到改善。

在由單束激光產(chǎn)生的梳狀結(jié)構(gòu)中，泵浦激光只直接雕刻中央齒。因此，離梳狀結(jié)構(gòu)中心越遠的齒越寬。這是不可取的，因為較寬的齒不能像較窄的齒那樣精確地測量頻率。

在新的梳系統(tǒng)中，兩個泵浦激光器對每個齒進行整形。根據(jù)理論，這應(yīng)該產(chǎn)生一組寬度相同的齒，從而提高測量的精度。研究人員現(xiàn)在正在測試這一理論預(yù)測是否適用于他們制造的微型梳。

雙激光系統(tǒng)提供了另一個潛在的優(yōu)勢：它產(chǎn)生兩種孤子，可以比作具有正或負符號。一個特定的孤子是負還是正純粹是隨機的，因為它是由兩個激光器之間相互作用的量子特性產(chǎn)生的。

這可能使孤子形成一個完美的隨機數(shù)發(fā)生器，它在創(chuàng)建安全的密碼編碼和解決一些統(tǒng)計和量子問題方面起著關(guān)鍵作用，否則這些問題無法用普通的非量子計算機解決。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01401-6