在眨眼之间，可见光波完成了一千万亿 (1015) 次振荡或周期。这个非常大的数字既带来了机遇，也带来了挑战。这些机遇预示着实验室内外众多的应用。它们直击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对自然规律进行一些最佳的检验——而全球定位系统 (GPS) 等就依赖于此。挑战的中心在于，对于频率低得多的电磁波（如微波），我们使用的技术非常有效，但对于光，却不可能用这些技术来操控。
现在，得益于激光物理学领域近十年的革命性进展，研究人员掌握了可以释放可见光高频潜力的技术，而高频潜力之前一直使我们无法实现。特别是，科学家们已经开发出利用一种称为光学频率梳的激光的工具。光学频率梳就像一把多功能的光之标尺，上面有成千上万个紧密间隔的“刻度线”，可以对光进行极其精确的测量。这种梳状结构可以形成一座桥梁，跨越从微波到可见光的巨大频率鸿沟：借助光学梳，非常精确的微波测量可以产生同样精确的光数据。
无数的应用正在酝酿之中。光学梳将使新一代更精确的原子钟、超灵敏的化学探测器以及利用激光控制化学反应的方法成为可能。光梳可以极大地提高激光雷达（light detection and ranging）的灵敏度和范围，并且还可以大幅增加通过光纤传输的信号数量。
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光梳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，运行满是单频激光器的房间。如今，一位研究生可以使用简单的光学频率梳装置就能获得类似的结果。新型光学原子钟也源于这种简化。就像落地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，研究人员已经使用光学梳超越了铯原子钟，而铯原子钟是几十年来可用的最佳系统。
在某些方面，光学梳的划时代问世类似于大约 100 年前示波器的发明所带来的飞跃。该设备通过允许直接显示信号，预示了现代电子时代的到来，从而促进了从电视到 iPhone 的一切事物的开发。然而，光的振荡速度比最快的可用示波器快 10,000 倍。借助光学梳，显示光波形的能力也正在变为现实。
光学频率梳应用需要对整个宽频率范围内的光进行精确控制。长期以来，无线电波已经可以实现这种控制水平，但现在才有可能对光实现这种控制。音乐的类比有助于理解所需的控制水平。在光梳开发之前，激光只能产生单一颜色，就像单一的光音调。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调丰富得多）。即使要演奏一首简单的乐曲，也需要许多不同的乐器，每种乐器都经过精心调音。每把小提琴都需要自己的演奏者，就像每台单频激光器都需要自己的操作员一样。
相比之下，一位操作员可以使用光学梳来覆盖整个光谱，不仅像钢琴家弹钢琴，而且像键盘手演奏电子合成器，可以编程来模仿任何乐器甚至整个管弦乐队。实际上，光梳技术实现了由成千上万种纯光音调组成的交响乐。
光梳的解剖
光学频率梳由称为锁模激光器的设备产生，该设备产生超短光脉冲。要理解这种脉冲的重要特征，首先想象另一种主要类型的激光器（连续波 (CW) 激光器）的光波。理想情况下，这种波将是完美规则振荡（代表光波的电场）的无尽流，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，然后再降回零。最短的脉冲，持续时间少于 10 飞秒，仅包含光波的几个完整振荡。脉冲的总体轮廓（其整体上升和下降）称为其包络。可以将脉冲视为像早期的连续波（“载波”），该波的振幅乘以包络的不断变化的高度。
载波由一种纯频率的光组成。它的频谱图在该频率处会有一个单峰，表示仅存在该频率。您可能会期望您想象的脉冲也仅由该频率的光组成——毕竟，它只是单频载波，其振幅发生了变化——但波和频谱并非如此工作。相反，脉冲由许多频率的光组成，这些光一起传播。这些频率形成以载波频率为中心的小的连续带。脉冲越短，频率的分布就越宽。
锁模激光器发射的脉冲的另外两个特征是光学频率梳发展的关键。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出现，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（称为重复频率）发射脉冲序列。这种脉冲序列的频谱不是在载波频率两侧形成连续分布，而是分解成许多离散频率。绘制后，频谱看起来像头发梳子的齿，以激光器的重复频率精确间隔。
典型的重复频率约为 1 吉赫兹（每秒十亿次周期），略低于现代计算机处理器。如果光学梳的齿以 1 吉赫兹间隔，则跨越可见光谱的光学梳将有 400,000 个齿。科学家可以使用高速光电二极管非常准确地测量吉赫兹（微波）范围内的重复频率，该二极管依次检测每个脉冲，而光学梳似乎可以将这种精度提升到可见波长。那么，为什么不将频率梳的齿用作测量的参考点呢？
然而，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频率的整数倍处。因此，一旦您测量了激光器的重复频率，您就会知道齿的位置。
但是，通常情况是，相位从一个脉冲到下一个脉冲会发生一些不可预测但固定的变化量。在这种情况下，梳齿在频率上会偏离重复频率的精确整数倍，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频率。测量偏移频率是光学梳进展的障碍。这一障碍在 2000 年被响亮地打破。这需要激光研究的两个独立分支的科学家的共同努力以及一种新材料的发现。
汇聚学科
在过去 40 年的大部分时间里，超快激光研究人员（那些专注于制造和使用最短脉冲的人）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频谱。他们的实验通常仅取决于单个脉冲的强度，在这种情况下，相位没有影响。尽管超快社区的成员经常测量其锁模激光器的频谱，但他们很少以足够的分辨率进行测量以观察潜在的梳状频谱；相反，这些线会混合在一起，看起来像一个连续的频带。
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出稳定的光流，其频谱看起来像一个尖锐的峰值。计量学界的许多研究人员并不了解锁模激光器的工作原理，而那些了解锁模激光器的人则怀疑这种激光器在实践中是否可以产生明确的光梳频谱。他们预计脉冲定时或相位的适度波动会将其冲刷掉。
但是，一些研究人员，最著名的是德国加兴马克斯普朗克量子光学研究所的特奥多尔·W·汉施，相信锁模激光器有一天可以成为高精度光谱学和计量学的有用工具。在 1970 年代，当汉施还是斯坦福大学的教员时，他使用锁模染料激光器（它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，这些测量确立了梳状频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光梳的进一步发展变得实用为止。
在 1980 年代后期，当时在马萨诸塞州康科德的施瓦茨电光公司的彼得·莫尔顿开发了钛掺杂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 1990 年代初期率先将其用于锁模激光器。在短短几年内，钛蓝宝石激光器通常产生短于 10 飞秒的脉冲，仅对应于三个光周期[参见约翰-马克·霍普金斯和威尔逊·西贝特的“超短脉冲激光器：闪光中的巨大回报”；《大众科学》，2000 年 9 月]。
随着这些钛蓝宝石激光器的问世，汉施掸去了他 20 年前的光学频率梳想法上的灰尘。他在 1990 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。在一项测量中，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。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（它们状态的变化会以精确的频率吸收或发射光），以跨越两个连续波激光器之间的频率差。他的结果启发了我们小组在该领域进行认真的研究。
在 JILA，美国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，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有着悠久的传统，这主要建立在其中一位作者 (Hall) 在 40 多年中开发的超稳连续波激光技术之上。1997 年，另一位作者 (Cundiff) 加入了 JILA，带来了锁模激光器和短脉冲技术的专业知识。我们进行了多次走廊和餐桌谈话，才克服了概念上的分歧，并决定与一对博士后研究员合作：斯科特·迪达姆斯（现任职于 NIST）和大卫·琼斯（现任职于不列颠哥伦比亚大学）。我们中的第三位作者 (Ye) 在 1999 年夏天加入了 JILA 的乐趣，当时革命才刚刚开始认真进行；他很快就率先找到了新频率梳的应用。
魔法光纤
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，最好是一个倍频程。（倍频程是频率的二倍因子，无论是在音乐、电子学还是光学中。）尽管当时的钛蓝宝石激光器产生了令人印象深刻的带宽，但它们还不能产生一个倍频程的光。
最后一块拼图在 1999 年的激光和电光会议上拼凑完成，当时贝尔实验室的 Jinendra Ranka 发表了一篇关于一种新型光纤（称为微结构光纤）的论文。在这种介质中，光纤中的微米尺寸气孔沿着其纤芯引导光。光纤的特性允许钛蓝宝石激光器产生的频率的脉冲沿其传播而不会被拉伸（就像在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较高水平，这反过来导致比普通光纤中发生的频谱展宽更大[参见罗伯特·R·阿尔法诺的“终极白光”；《大众科学》，2006 年 12 月]。结果在视觉上令人惊叹。钛掺杂蓝宝石激光器的输出在近红外，恰好超出人类视觉的极限。肉眼看起来是淡淡的红色。微结构光纤中的频谱展宽将淡淡的红色转换为可见波长，使光纤发出彩虹的连续颜色。
在 1999 年秋季，我们设法获得了一些这种魔法光纤。时间再完美不过了。我们刚刚完成了一系列实验，证明了使用钛蓝宝石激光器跨越的间隙几乎是汉施最初演示的三倍宽。我们已经有一个运行设置，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，我们就完成了一个原理验证实验，表明微结构光纤中的频谱展宽保留了原始激光脉冲中的频率梳结构。
倍频程频谱的重要性在于，它允许直接将偏移频率作为射频进行测量，从而克服了使用光梳测量其他频率的上述障碍。有几种确定倍频程频谱偏移频率的具体方法，其中许多方法可以追溯到射频工程中在高速计数器可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单位时间内发生的振荡次数来完成工作，但无法跟上光具有的更高频率。）我们现在将描述测量偏移频率的最简单和最通用的方法——自参考。
关键思想是，倍频程频谱使科学家能够将频谱两端的两条梳状线的频率相互比较。如果偏移频率为零，则频谱低频端的每条线在高频端都有一条频率正好是其两倍的对应线。任何偏离此精确比率的情况都恰好是偏移频率。该方案称为自参考，因为它是将梳状光与自身进行比较。
自参考在实践中通过将一些激光通过所谓的二次谐波产生晶体来进行，该晶体使光的频率加倍。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来分离形成梳状结构的低频端的光，然后将其发送通过倍频晶体，最后将其和梳状结构的高频端的光导向同一个光电探测器。组合光的强度会振荡——它会“拍频”——就像调音和失调音符的组合声音拍频一样。在这两种情况下，拍频的频率都等于失调量。对于光脉冲，拍频的频率与光梳的偏移频率相同，因为每个倍频的低端线都会从高端线偏移该量。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
只有与光学频率梳开发之前的技术相比，才能体会到基于光学频率梳的光学频率计量的简单性。简而言之，这些技术包括频率倍增链，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频率的倍数。链中的第一个环节是铯原子钟，这是一种用作国际时间标准的原子钟，它定义了秒。铯原子钟基于铯原子吸收的 9 吉赫兹微波。要从 9 吉赫兹一直达到可见光的频率（至少 40,000 倍），需要大约十几个阶段。每个阶段都使用了不同的技术，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，链条中的许多环节削弱了最终光学频率测量的精度。
一旦稳定的光学频率梳被发明出来，精确测量连续波激光器的频率就容易得多。与频率链一样，基于光梳的频率测量仍然必须参考铯原子钟。正如我们现在将看到的那样，铯原子钟测量高达约 9 吉赫兹频率的能力正是您需要使用光学梳来确定激光线频率的全部。需要涉及光梳的几个信息。首先，正如我们之前讨论的那样，必须测量光梳的偏移频率及其线的间距。从这两个数字可以计算出所有光梳线的频率。接下来，将未知的激光与光梳的光组合以获得拍频（即，它与最近的梳状线之间的频率差）。
这三个频率都在微波范围内，可以使用铯原子钟极其精确地测量。回想一下，光梳的线间距与产生光梳的脉冲的重复频率相同。大多数锁模激光器以 10 吉赫兹或更低的重复频率运行，这使得该量很容易根据铯原子钟进行测量。偏移频率和拍频也在铯原子钟可以测量的范围内，因为它们必须小于梳状线间距。
还需要确定另外两个数据：未知激光最接近哪个梳状线，以及在该线的哪一侧？商用波长计可以将光线的频率测量到小于 1 吉赫兹的精度，这足以回答这两个问题。在没有这种波长计的情况下，您可以系统地改变重复频率和偏移频率，以监控拍频响应的变化。有了足够的数据点，您就可以计算出该线必须在哪里。
光学梳的简单性不仅增加了世界各地科学家进行这些极其精确的频率测量的频率，而且还大大降低了这些测量的不确定性。这些优势有一天可能会导致光学时间标准取代当前的基于微波铯的时间标准。考虑到这一点，NIST 由詹姆斯·C·伯奎斯特领导的小组和 JILA 由叶军领导的小组一直在测量相对于使用光和光梳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的 不确定性已经小于使用最佳铯标准进行的测量的不确定性。这是一个激动人心的时刻，世界各地的许多实验室都准备建造可以超越几十年来一直是主要频率标准的光学频率标准。NIST 的 Leo Hollberg 小组以及其他地方的其他小组的测量表明，光学梳的内在极限仍然比当前光学频率测量的不确定性好几个数量级。
更高和更高
然而，采用光学时间标准仍然是多年以后的事情。计量学家必须首先仔细评估众多原子和离子光学跃迁，然后选择似乎最适合标准的一种。
除了光梳的许多实际应用外，基础光梳研究也在许多方面继续快速发展。例如，叶军的小组可以使用单个光梳一次非常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，该技术可以应用于检测样品中的许多痕量物质。
光梳技术已经对原子和分子如何响应在强烈的超短光脉冲中获得的强电场的研究产生了重大影响。这项工作的大部分是由汉施的合作者费伦茨·克劳斯领导的，他现在在马克斯普朗克量子光学研究所工作。在他的其他成就中，他的小组利用电子对激光超短脉冲电场的响应来测量电场并显示波形，就像在示波器上显示射频波一样。克劳斯使用光学梳来稳定脉冲的相位，使其脉冲到脉冲具有不变的波形。
另一个非常活跃的研究领域是寻求将光梳技术推向电磁频谱的更高频率。（产生较低频率的光梳，包括从微波一直延伸到可见光的光梳，是直接的。）2005 年，JILA 的叶军小组和加兴的汉施小组在极紫外线（频率不远低于 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光梳来研究原子和分子的精细结构，并使用极紫外激光。
在短短几年内，光学频率梳已从少数科学家研究的研究问题转变为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之标尺的全部潜力。