频率梳，从最基本的意义上讲，是一种用于测量不同颜色的高精度工具，或者更确切地说，它测量的是这些颜色所对应的光频率。因此，它们通常被称为“光频率梳”。近年来，超快激光器的进步推动了这些频率梳的实现。迄今为止，它们能够以比其他任何技术更高的精度测量更高频率的光。本文将探讨它们的工作原理，以及如何将它们用作光学尺和光学时钟。

频率梳的工作原理

NIST频率梳的实验数据。

光频梳是一种利用超快激光源产生的宽光谱，具有离散且等距的频率线。即使频率间距相同，每个频率的强度也会有所不同。光频梳还依赖于时间与光频率之间的关系。用简单的物理术语来说，这相当于每秒振荡的次数。时间和频率参数也互为反比，因此时间越长，频率数越小，反之亦然。随着时间的推移，不同的光特性会转换成频率，这一系列频率在光谱上就像一把梳子。梳子上的每个“齿”会根据光波振荡的速度对应不同的颜色。

只有使用能够以规则脉冲重复率发射超短脉冲的激光器（例如锁模飞秒激光器）才能产生频率梳光谱。这些激光器之所以被广泛使用，还因为它们能够产生具有宽宽带频谱的频率梳，并且可以通过在激光谐振腔外部使用光纤，利用具有低时间相干性的强非线性效应（例如超连续谱产生）进一步扩展该宽带。此外，激光器发射脉冲的速度越快，“频率齿”就越宽，光谱中的每种颜色就越容易识别。

频率梳的实现还依赖于激光的周期性，该周期性应用于脉冲的整个电场，而不仅仅是脉冲包络内。这包括光相位。这意味着可以保持脉冲之间的相干性，从而降低光谱内的噪声，从而产生清晰的“齿”。

光学尺

由于频率梳能够覆盖整个光谱，因此可以将其用作光学标尺。这些标尺可用于精确测量其他物体（例如恒星、激光和原子）发出的光。如果已知光谱中的所有频率，则可以通过测量拍频（即由两个不同的非正交叠加光频率产生的可测量光学差异的信号）来识别未知频率。这些拍频揭示了被测未知频率与光梳已知频率之间的频率差，因此，它们可用于测量入射光的频率。

频率梳和光钟

由于频率梳可以用来测量绝对光频率，因此它们也可以用来测量铯钟中的微波频率，因为光频率和微波频率是相关的。因此，频率梳可以充当一种光学发条装置，即时钟的齿轮。

在铯钟中，一秒被定义为铯原子两个能级之间9,192,631,770次振荡。非光学铯钟的误差率极低，每3000万年不到一秒，然而，科学家们一直在努力提高它们的精确度；其中一种方法是提高时钟的滴答速率。然而，由于无法测量这种提高，这种方法一直受阻，但现在可以通过利用铯原子中的光学跃迁而不是微波跃迁来测量时间来实现。频率梳在这些应用中被广泛使用，因为它们可以测量低微波频率，而这些频率正是定义秒的频率。因此，它们成为了光学钟的齿轮。

不使用频率梳的铯钟精度为10-16 ，但使用光学频率梳后，精度已提升至10-17 。然而，这仅仅是目前所能达到的水平，未来精度水平有望达到无限高。

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