频率梳最基本的定义是一种高精度测量工具，用于测量不同颜色——更准确地说，是测量这些颜色所对应的光频率。正因如此，它们常被称为“光学频率梳”。自2005 年罗伊·J·格劳伯、约翰·L·霍尔和西奥多·W·汉施获得诺贝尔物理学奖以来，更是引起了广泛关注。后两位对光频梳技术的发展做出了开创性贡献。

近年来超快激光技术的突破性进展，使频率梳得以实现。迄今为止，它们能够以远超其他技术的精度测量更高频率的光。本文将探讨其工作原理，以及如何将其应用于光学标尺和光学钟领域。

来自美国国家标准与技术研究院（NIST）频率梳的实验数据。

频率梳的工作原理

光频梳是由超快激光源产生的具有离散且等间距频率线的宽光谱。尽管频率间距相同，但每个频率的强度可能存在差异。光频梳还取决于光的频率与时间之间的关系。简单来说，这相当于每秒的振荡次数。时间与频率参数呈反比关系：时间越长对应频率数值越小，反之亦然。随着时间推移，不同光特性被转化为频率序列，在光谱中呈现出类似梳齿的排列。每个“梳齿”对应不同波长的光，其颜色取决于光波振荡频率。

频率梳光谱的生成需依赖能以稳定脉冲重复频率发射超短脉冲的激光器，例如锁模飞秒激光器。此类激光器还因能产生宽带频谱的频率梳而被广泛应用，且通过在激光谐振腔外使用光纤实现强非线性效应（如超连续谱生成）并降低时间相干性，可进一步扩展其宽带特性。此外，激光脉冲发射频率越高，“频率齿”间距越宽，光谱中各色成分的识别难度就越低。

频率梳的实现同样依赖于激光的周期性作用于脉冲的整个电场，而不仅限于脉冲包络内部。这包括光相位。这意味着脉冲间的相干性得以维持，从而降低光谱中的噪声，从而产生定义明确的“齿”。

Monaco 517高功率飞秒激光器

Monaco 517 是一款工业级飞秒激光器，采用MOPA架构与全集成二次谐波发生技术，输出517 nm绿光，兼具高能量（>40 μJ/脉冲）与高平均功率（30 W），重复频率达750 kHz。其超短脉冲宽度（<350 fs）可实现低热影响加工，绿色波长对铜、聚合物及陶瓷等材料具有更优的吸收特性与焦深控制。该激光器结构紧凑，支持7×24小时稳定运行，通过HALT/HASS验证，适用于柔性PCB切割、IC封装、晶圆划片、医疗器械及薄金属箔精密加工等多种工业场景。

光学尺

由于频梳能够覆盖整个光学光谱，因此可作为光学尺使用。这些尺子能精确测量其他物体（如恒星、激光器和原子）发出的光。若光谱中所有频率已知，则可通过测量拍频（即两种非正交叠加光频产生的可测光学差异信号）来识别未知频率。拍频揭示了待测未知频率与梳齿已知频率间的差值，从而实现入射光频率的测量。

频率梳与光学钟

由于频率梳可用于测量绝对光学频率，因此也能用于测量铯钟中的微波频率——因为光学频率与微波频率存在关联。因此频率梳可充当一种光学钟表机构，即钟表的齿轮系统。

铯原子钟将一秒定义为铯原子两个能级间9,192,631,770次振荡。非光学铯钟的误差率极低，每3000万年仅偏差不到一秒，但科学家仍不断追求更高精度——其中一种途径是提升时钟的滴答频率。然而，由于无法测量这种提升，该方法一直受阻。如今，通过利用铯原子的光学跃迁而非微波跃迁来测量时间，这一难题得以解决。频率梳在这些应用中发挥了关键作用，因为它们能够测量低微波频率——即定义秒的频率。因此，它们成为了光学钟的齿轮。

未采用频率梳的铯原子钟精度为10?1?量级，而引入光学频率梳后精度提升至10?1?量级。但这仅是当前技术极限，未来精度提升的潜力被认为是无限的。

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