激光网3月15日消息，被称为频率梳的基于芯片的设备以无与伦比的精度测量光波的频率，彻底改变了计时、太阳系外行星的探测和高速光通信。
现在，美国国家标准与技术研究院的科学家及其合作者已经开发出一种制造梳子的新方法，有望提高它们已经很精致的精度，并允许它们在以前无法达到的频率范围内测量光。扩展的范围将使频率梳能够探测细胞和其他生物材料。
研究人员在Nature Photonics上描述了他们的工作。该团队包括来自比利时布鲁塞尔自由大学的François Leo及其同事，法国第戎勃艮第大学的Julien Fatome，以及来自NIST和马里兰大学研究合作伙伴联合量子研究所的科学家。
这些新器件是在小型玻璃芯片上制造的，其工作方式与以前基于芯片的频率梳有着根本的不同。
频率梳充当光的标尺。就像普通尺子上均匀间隔的刻度线测量物体的长度一样，微梳上均匀间隔的频率尖峰测量光波的振荡或频率。
研究人员通常使用三种元素来构建微梳：单个激光器，称为泵浦激光器;一个微小的环形谐振器，最重要的元件;以及一个在两者之间传输光的微型波导。注入波导的激光进入谐振器并绕环比赛。通过仔细调整激光的频率，环内的光可以变成孤子——一种在移动时保持其形状的孤波脉冲。
每当孤子完成绕环一圈时，一部分脉冲就会分裂并进入波导。很快，一整列狭窄的脉冲填满了波导，每个尖峰在时间上以相同的固定间隔分开，这是孤子完成一圈所需的时间。尖峰对应于一组均匀分布的频率，并形成频率梳的刻度线或“齿”。
这种产生微梳的方法虽然有效，但只能产生以泵浦激光器频率为中心的频率范围的梳子。为了克服这一局限性，NIST研究人员Grégory Moille和Kartik Srinivasan与新西兰奥克兰大学的Miro Erkintalo和Dodd-Walls光子和量子技术中心的Miro Erkintalo领导的国际研究团队合作，从理论上预测了这种新工艺，然后通过实验演示了产生孤子微梳的新工艺。
新方法不是使用单个激光器，而是使用两个泵浦激光器，每个泵浦激光器以不同的频率发射光。两个频率之间的复杂相互作用产生了一个孤子，其中心频率正好位于两种激光颜色之间。
该方法允许科学家在不再受泵浦激光限制的频率范围内生成具有新特性的梳子。例如，通过生成跨越与注入泵浦激光器不同频率的梳子，这些设备可以让科学家研究生物化合物的组成。
除了这种实际优势之外，这种新型微梳的物理基础可能会带来其他重要进展。一个例子是与微梳的单个齿相关的噪声的潜在改善。
在由单个激光器生成的梳子中，泵浦激光器仅直接雕刻中心齿。结果，牙齿离梳子中心越远，牙齿就越宽。这是不可取的，因为较宽的牙齿不能像较窄的牙齿那样精确地测量频率。
在新的梳状系统中，两个泵浦激光器对每个齿进行整形。根据理论，这应该会产生一组同样窄的牙齿，从而提高测量的准确性。研究人员现在正在测试这一理论预测是否适用于他们制造的微梳。
双激光系统提供了另一个潜在的优势：它产生两种种类的孤子，可以比作具有正号或负号。一个特定的孤子是负的还是正的，完全是随机的，因为它是由两个激光之间相互作用的量子特性引起的。
这可能使孤子形成一个完美的随机数生成器，它在创建安全的加密代码和解决一些统计和量子问题方面起着关键作用，否则这些问题是普通的非量子计算机无法解决的。
