编者注：这篇文章最初发表于2008年4月号，现重新发布以突出《大众科学》中诺贝尔奖的长期交织历史。
眨眼之间，可见光波会完成一千万亿 (1015) 次振荡，即周期。这个非常大的数字既带来了机遇，也带来了挑战。机遇预示着实验室内外无数的应用。它们触及了我们以极高精度测量频率和时间的能力的核心，科学家们依靠这种能力来进行一些对自然规律的最佳测试——例如，GPS系统就依赖于此。挑战的中心一直在于，使用在低得多的频率（例如微波）的电磁波方面非常有效的技术来操纵光是不可能的。
现在，由于激光物理学近十年来取得了革命性的进展，研究人员掌握了可以释放可见光高频率先前使我们无法实现的潜在能力的技术。特别是，科学家们开发了利用一种称为光学频率梳的激光的工具。像一个多功能的光标尺，具有成千上万个紧密间隔的“刻度”，光学频率梳可以提供非常精确的光测量。这种梳子可以形成一座桥梁，跨越从微波到可见光的巨大频率差距：非常精确的微波测量可以通过光学梳产生同样精确的光数据。
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无数应用正在酝酿之中。光学梳将使新一代更精确的原子钟、超灵敏化学检测器以及使用激光控制化学反应的手段成为可能。梳子可以大大提高激光雷达（光探测和测距）的灵敏度和范围，还可以大幅增加通过光纤传输的信号数量。
梳子将大大简化以极高精度测量光频率的任务。在20世纪，这样的测量需要一个由博士组成的团队来运行满屋子的单频激光器。如今，研究生可以通过使用光学频率梳的简单装置获得类似的结果。新的光学原子钟也源于这种简化。就像祖父钟中的摆锤需要齿轮来记录其摆动并缓慢转动时钟的指针一样，光学原子钟使用光学频率梳来计数光的振荡并将其转换为有用的电子信号。就在过去一年中，研究人员已经使用光学梳超越了铯基原子钟，后者是几十年来可用的最佳系统。
在某些方面，光学梳的出现改变了局面，类似于大约100年前示波器发明带来的飞跃。该设备通过允许直接显示信号，开创了现代电子时代，从而促进了从电视到iPhone的一切发展。然而，光的振荡速度比现有最快的示波器快10,000倍。借助光学梳，显示波形的相同能力正在用于光。
光学频率梳应用需要在很宽的频率范围内精确控制光。这种控制水平长期以来一直适用于无线电波，但现在才有可能用于光。音乐的类比有助于理解所需的控制水平。在梳子开发之前，激光器只能产生一种颜色，就像一种单一的光音。它们类似于只有一根弦且没有指板的小提琴，只能演奏一个音符（暂时忽略音乐音符比纯音要丰富得多）。即使演奏一个简单的乐曲，也需要许多不同的乐器，每一种乐器都经过精心调校。每把小提琴都需要自己的音乐家，就像每个单频激光器都需要自己的操作员一样。
相比之下，一个操作员可以使用光学梳覆盖整个光谱，不仅像钢琴家在钢琴上一样，而且像键盘手演奏可以编程来模拟任何乐器甚至整个管弦乐队的电子合成器一样。实际上，梳状技术使数十万纯粹的光音的交响曲成为可能。
梳子的剖析
光学频率梳由称为锁模激光器的设备产生，该设备会产生超短光脉冲。要了解此类脉冲的重要特征，首先要想象另一种主要类型的激光器，即连续波（CW）激光器的光波。理想情况下，这样的波将是完全规则振荡的无休止的流（表示光波的电场），每个波峰和波谷都具有相同的振幅并以不变的速率到达。相比之下，来自锁模激光器的脉冲是一系列短波峰和波谷，其振幅从零上升到最大值，然后又降回零。持续时间小于10飞秒的最短脉冲仅包含光波的几个完整振荡。脉冲的一般轮廓（其整体上升和下降）称为其包络。可以将脉冲视为类似于较早的连续波（“载波”），该波的振幅乘以包络的变化高度。
载波由一个纯频率的光组成。它的频谱图在该频率处将具有一个尖峰，表示仅存在该频率。您可能会认为您正在想象的脉冲也仅由该频率的光组成——毕竟，它只是振幅发生变化的单频载波——但波和光谱的工作方式并非如此。相反，脉冲由许多频率的光组成，它们一起传播。这些频率形成一个小的连续带，以载波频率为中心。脉冲越短，频率的扩展范围就越宽。
锁模激光器发射的脉冲的另外两个特征是开发光学频率梳的关键。首先，相对于载波稍微移动包络会导致略有不同的脉冲。脉冲包络的峰值可能与载波的波峰同时发生，但也可能移动到振荡的任何其他阶段。位移量称为脉冲的相位。
其次，锁模激光器以非常规则的速率（称为重复率）发射脉冲序列。这种脉冲序列的频谱不会在载波频率的每一侧形成连续的扩展，而是分解成许多离散的频率。绘制出来，频谱看起来像发梳的齿，精确地间隔激光器的重复率。
典型的重复率约为一千兆赫（每秒十亿次循环），比现代计算机处理器稍慢。如果以一千兆赫的频率间隔，跨越可见光谱的光学梳将具有400,000个齿。科学家可以使用高速光电二极管（依次检测每个脉冲）非常精确地测量千兆赫（微波）范围内的重复率，并且光学梳似乎会将这种精度提高到可见波长。那么，为什么不使用频率梳的齿作为参考点进行测量呢？
但是，有一个陷阱。它与相位有关。如果脉冲序列中每个脉冲的相位完全相同，那么一切都很好，因为在这种情况下，梳齿将精确地位于重复率的整数倍处。因此，一旦测量了激光的重复率，您就会知道齿的位置。
但是，通常情况下，相位会从一个脉冲到下一个脉冲变化一个不可预测但固定的量。在这种情况下，梳齿的频率会从重复率的精确整数倍移开，偏移量称为偏移频率。要了解梳齿的频率，必须测量该频率以及重复率。测量偏移频率是光学梳取得进展的障碍。这一障碍在2000年被彻底消除。这需要两个独立激光研究分支的科学家的共同努力和新材料的发现。
学科融合
在过去的40年中，超快激光研究人员（那些专注于制造和使用最短脉冲的研究人员）在很大程度上忽略了脉冲相位和理想脉冲序列的理论梳状光谱。他们的实验通常只取决于单个脉冲的强度，在这种情况下，相位没有任何影响。尽管超快社区的成员经常测量其锁模激光器的光谱，但他们很少以足够的分辨率来观察底层梳状光谱；相反，这些线会混合在一起，看起来像一个连续的频率带。
高分辨率测量是精密光谱学和光学频率计量学专家的领域，其中高度稳定的连续波激光器是首选工具。如前所述，连续波激光器以精确的频率发射稳定的光流，其频谱看起来像一个尖锐的尖峰。计量学界没有多少研究人员了解锁模激光器的工作原理，而那些了解它们的人则怀疑这种激光器实际上能否产生定义明确的梳状光谱。他们预计脉冲的定时或相位的适度波动会将其冲刷掉。
但少数研究人员，最值得一提的是德国加兴马克斯·普朗克量子光学研究所的西奥多·W·汉施，相信锁模激光器终有一天会成为高精度光谱学和计量学的有用工具。在 20 世纪 70 年代，汉施在斯坦福大学任教期间，使用锁模染料激光器（其使用彩色液体染料作为产生激光的介质）进行了一系列测量，从而确立了梳状光谱及其偏移频率的基本概念。这些种子随后休眠了近 20 年，直到激光技术发展到足以使梳状光谱的进一步发展成为现实的程度。
在 20 世纪 80 年代后期，当时在马萨诸塞州康科德市的施瓦茨电子光学公司的彼得·莫尔顿，开发了掺钛蓝宝石作为具有大带宽的激光增益介质。苏格兰圣安德鲁斯大学的威尔逊·西贝特在 20 世纪 90 年代初率先将其用于锁模激光器。在短短几年内，掺钛蓝宝石激光器能够常规产生短于 10 飞秒的脉冲，相当于仅仅三个光周期[参见约翰-马克·霍普金斯和威尔逊·西贝特的文章“超短脉冲激光：瞬间的巨大回报”，《大众科学》，2000 年 9 月]。
随着这些掺钛蓝宝石激光器的出现，汉施重新启用了他 20 年前关于光学频率梳的想法。他在 20 世纪 90 年代后期进行了一系列实验，证明了锁模激光器的潜在潜力。在一次测量中，他表明输出光谱两端的梳状线彼此之间定义明确。结果表明，梳齿就像刻在钢尺上的标记，而不是像沿着橡皮筋绘制的线条。在另一项实验中，他使用锁模激光器测量了铯原子中的光学跃迁频率（一种以精确频率吸收或发射光的状态变化），以跨越两个连续波激光器之间的频率差。他的结果激励了我们一组人开始在该领域进行认真的研究。
在国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所 JILA，我们处于独特的地位，可以利用激光物理学两个分支的技术进步并加以发展。JILA 在光学频率计量学和精密光谱学方面拥有悠久的传统，这很大程度上建立在我们其中一人（霍尔）40 多年来开发的超稳连续波激光技术之上。1997 年，我们中的另一人（坎迪夫）加入了 JILA，带来了锁模激光器和短脉冲技术的专业知识。我们经过多次走廊和午餐桌上的对话，才克服了我们概念上的分歧，并决定与一对博士后研究员：现在在 NIST 的斯科特·迪达姆斯和现在在不列颠哥伦比亚大学的大卫·琼斯联手合作。我们中的第三人（叶）在 1999 年夏天加入了 JILA 的乐趣，当时革命真正开始；他很快就引领了寻找新的频率梳应用之路。
神奇光纤 尽管汉施的结果令人印象深刻，但我们知道他的动机是处理掉他的大部分复杂设备。然而，实现这种简化的技术要求锁模激光器产生巨大的带宽，最好是一个八度音程。（八度音程是指频率中的二倍因数，无论是在音乐、电子学还是光学中。）尽管当时掺钛蓝宝石激光器产生了令人印象深刻的带宽，但它们仍然无法产生一个八度音程的光。
最后一块拼图在 1999 年的激光与电光会议上到位，当时贝尔实验室的吉宁德拉·兰卡发表了一篇关于一种被称为微结构光纤的新型光纤的论文。在这种介质中，光纤中的微米级气孔沿着其纤芯引导光线。光纤的特性允许掺钛蓝宝石激光器产生的频率脉冲沿着它传播而不会被拉伸（就像普通光纤和大多数其他光学介质中发生的那样）。缺乏拉伸使脉冲强度保持在高水平，这反过来导致比普通光纤中发生的光谱展宽大得多[参见罗伯特·R·阿尔法诺的文章“终极白光”，《大众科学》，2006 年 12 月]。结果在视觉上令人惊叹。掺钛蓝宝石激光器的输出位于近红外区域，恰好超出人类视觉的极限。它在人眼中呈现为微弱的红色。微结构光纤中的光谱展宽将微弱的红色转换为可见波长，导致光纤发出彩虹般连续的颜色。
1999 年秋天，我们设法获得了一些这种神奇光纤。时机再好不过了。我们刚刚完成了一系列实验，证明了使用掺钛蓝宝石激光器跨越的间隙几乎是汉施最初演示的三倍。我们已经有了一个正在运行的装置，几乎可以将新的微结构光纤放入其中。在收到贝尔实验室的快递包裹后的两周内，我们完成了一项原理验证实验，表明微结构光纤中的光谱展宽保留了原始激光脉冲中的频率梳状结构。
八度音程光谱的重要性在于，它可以直接将偏移频率测量为射频，从而克服了上述使用梳状光谱测量其他频率的障碍。在给定八度音程光谱的情况下，有几种确定偏移频率的特定方法，其中许多方法可以追溯到无线电工程中在高速计数器广泛使用之前用于测量频率的技术。（计数器通过简单地计算无线电波每单位时间发生的振荡次数来完成工作，但无法跟上光线具有的更高频率。）我们现在将描述用于测量偏移频率的最简单和最通用的方法 - 自参考。
关键的想法是，八度音程光谱使科学家能够比较光谱两端两个梳状线的频率。如果偏移频率为零，那么光谱低频端的每一条线在光谱高频端都有一条频率恰好是其两倍的对应线。任何偏离这个精确比率的情况，结果都恰好是偏移频率。该方案被称为自参考，因为人们是将梳状光谱的光与自身进行比较。
自参考在实践中是通过将一些激光通过所谓的二次谐波产生晶体来实现的，该晶体会使光的频率加倍。因此，可以使用仅反射较长波长光但允许较短波长光通过的反射镜，分离出形成梳状光谱低频端的光，然后将其发送到倍频晶体，最后将其和梳状光谱高频端的光导向同一个光电探测器。组合光线的强度会振荡 - 它像一个调谐和失谐的音符的组合声音一样“跳动”。在这两种情况下，拍频的频率都等于失谐量。对于光脉冲，拍频的频率与梳状光谱的偏移频率相同，因为每个倍频的低端线都将与高端线失谐该量。在电子学和光学中，这种组合信号以获得拍频的过程称为外差检测。
重新定义时间 基于光学频率梳的光学频率计量学的简单性只有与它们发展之前的技术进行比较才能体会到。简而言之，这些技术由频率倍增链组成，其中链中的每个环节都由一个振荡器组成，该振荡器的频率是前一个环节的倍数。链中的第一个环节是铯钟，一种用作国际时间标准（定义秒）的原子钟。铯钟基于铯原子吸收的 9 千兆赫微波。要从 9 千兆赫一直达到可见光的频率（至少 40,000 倍），需要大约十几个阶段。每个阶段都使用不同的技术，包括用于可见光的激光器。运行这些链条需要大量的资源和人员；世界上只建造了少数几个，并且测量是间歇性进行的。此外，在实践中，链条中的许多环节会降低最终光学频率测量的精度。
一旦发明了稳定的光学频率梳，精确测量连续波激光的频率就容易得多。与频率链一样，基于梳状光谱的频率测量仍然必须参考铯钟。正如我们现在将看到的，铯钟测量高达约 9 千兆赫频率的能力是您使用光学梳确定激光线频率所需的全部。需要涉及梳状光谱的几条信息。首先，正如我们之前讨论的那样，必须测量梳状光谱的偏移频率及其线的间距。从这两个数字可以计算出所有梳状线的频率。接下来，将未知激光与梳状光谱的光组合以获得它与最近的梳状线之间的拍频（即频率差）。
这三个频率都在微波范围内，可以使用铯钟非常精确地测量。回想一下，梳状光谱的线间距与产生梳状光谱的脉冲的重复率相同。大多数锁模激光器以 10 千兆赫或更低的重复率运行，这使得该量很容易通过铯钟测量。偏移频率和拍频也都可以在铯钟的测量范围内，因为它们必须小于梳状间距。
必须确定另外两个数据：未知激光最接近哪个梳状线以及在哪一侧？商用波长计可以将光线的频率测量到小于 1 千兆赫，这足以回答这两个问题。在没有这种波长计的情况下，可以系统地改变重复率和偏移频率以监测拍频如何响应变化。有了足够的数据点，就可以计算出线必须在哪里。
光学梳的简单性不仅增加了世界各地的科学家进行这些极其精确的频率测量的频率，而且大大降低了这些测量中的不确定性。这些好处可能有一天会导致光学时间标准取代目前基于微波铯的标准。考虑到这一点，由詹姆斯·C·伯奎斯特领导的 NIST 小组和由叶领导的 JILA 小组一直在测量相对于使用光和梳状光谱产生输出信号的时钟的频率。使用这些最佳时钟进行的测量中的不确定性已经小于使用最佳铯标准进行的测量中的不确定性。这是一个激动人心的时刻，世界各地的许多实验室都准备好建立可以超越几十年来一直作为主要频率标准的光学频率标准。美国国家标准与技术研究院的利奥·霍尔伯格小组以及其他地方的其他小组的测量结果表明，光学梳的内在极限仍然比当前光学频率测量中的不确定性好几个数量级。
越来越高
然而，采用光学时间标准仍需数年时间。计量学家必须首先仔细评估众多原子和离子的光学跃迁，然后才能选择似乎最适合作为标准的一个。除了梳状激光器的许多实际应用外，基础梳状激光器研究也在许多方面快速发展。例如，叶小组可以使用单个梳状激光器同时灵敏地检测原子和分子的许多不同跃迁。因此，可以在一次测量中分析原子的整个能态范围。或者，可以将此技术应用于检测样品中的多种痕量物质。
梳状激光器技术已经对研究原子和分子如何响应在强烈的超短光脉冲中获得强电场产生了巨大影响。这项工作的大部分由汉施的合作者费伦茨·克劳斯领导，他现在在马克斯·普朗克量子光学研究所工作。除其他成就外，他的小组利用电子的响应来测量激光超短脉冲的电场并显示波形，就像在示波器上显示射频波一样。克劳斯使用光学梳状激光器来稳定脉冲的相位，使其脉冲间的波形保持不变。
另一个非常活跃的研究领域是寻求将梳状激光器技术推向电磁频谱的更高频率。（产生较低频率的梳状激光器，包括从微波一直到可见光的梳状激光器，是直接的。）2005年，吉拉的叶小组和加兴的汉施小组在极紫外（频率略低于X射线）中生成了精确的频率梳。科学家们正在使用这种扩展的梳状激光器来研究原子和分子在极紫外激光下的精细结构。
在短短几年内，光学频率梳已经从少数科学家研究的研究问题，发展成为一种在广泛的应用和基础研究中使用的工具。我们才刚刚开始探索这些光尺的全部潜力。