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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

光学频率梳是一种激光器，可以产生一系列极短的光脉冲，其光谱由等间距的频率线组成。自20年前引入以来，它们已成为无与伦比的频率、时间和距离计量的标尺，是计量学和光学传感领域的重要工具。随着频率梳的应用范围不断扩大，其用途已不仅仅是作为参考标尺。频率梳有许多用途，包括在光学原子钟、痕量气体传感器和高精度距离测量中。在这些应用中，多个固定梳作为差分标尺，通过锁相使它们在频率梳线或脉冲之间具有游标式偏移。这些应用依赖于频率梳光谱和脉冲输出的刚性稳定。一旦稳定下来，频率梳产生一个固定的光脉冲序列，周期精确到小于1飞秒。

新思路

有鉴于此，美国科罗拉多州博尔德国家标准与技术研究所Laura C. Sinclair等人演示了一种灵活的可编程频率梳，其中脉冲时间和相位以±2阿秒的精度进行数字控制。这种灵活性使传感应用中的量子有限灵敏度得以实现，因为可编程梳状可以配置为在散粒噪声极限下相干跟踪微弱的返回脉冲序列。为了突出其功能，作者在测距系统中使用了这种可编程梳状，与传统的双梳状系统相比，将达到给定精度所需的功率减少了约5000倍。这使得在保持刚性频率梳完全精度和精度的情况下，能够以每脉冲1/77的平均光子数进行测距。除了时间和频率计量学中的测距和成像应用外，梳状光谱、泵-探头实验和压缩传感还受益于梳状脉冲时间和相位的相干控制。

图  演示时间可编程光学频率梳

技术优势：

1、实现了频率梳可控脉冲

2、实现了频率梳的“相干”控制

3、实现了超高精度的脉冲控制以及快10倍的测量速度

4、实现了在标准量子精度极限附近的距离测量

5、功率减小了5000倍

技术细节

时间可编程频率梳

图  一种时间可编程频率梳

双梳测距应用

图 通过服务水平说明和描述TPFC的时间可编程性

图  带有时间可编程频率梳的双梳测距

可编程频率梳应用拓展

图  移动回复反射器的测距和速度数据

图  常规和跟踪双梳状测距的比较

展望

总之，TPFC结合了自参考频率梳的精度和准确度，在时间和相位上具有灵活性，精度为2 as。TPFC基于光纤频率梳，但任何带有能够跟踪和操纵相位的控制电子器件的自参考梳（或锁定到广泛分离的光学振荡器的梳）都可以充当TPFC。通过双梳状测距演示，表明TPFC可以在时间和频率上作为光学跟踪振荡器工作，产生接近量子噪声限制的测距，精度为0.7纳米。最后，双光梳测距仅仅是其中一个应用，在其他多光梳传感和计量应用中，TPFC在提高信噪比方面具有同样的前景，同时保持梳状计量的标志性精度方面具有同等的前景。

参考文献：

An optical innovation for metrology at the quantum limit of precision. Nature(2022).

https://doi.org/10.1038/d41586-022-03153-1

Caldwell, E.D., Sinclair, L.C., Newbury, N.R. et al. The time-programmable frequency comb and its use in quantum-limited ranging. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05225-8