光学频率梳（Optical frequency comb）是一种特殊的激光光源，它可以产生一系列等间隔的离散频率分量，就像一把梳子一样，每个分量都是一个精确的光学频率标准。光学频率梳可以用来测量未知的光学频率，实现光学与微波之间的精确转换，提高时间和频率的计量精度。
因为它在精密光谱学、原子钟、超快物理等领域的重要应用，美国的John L. Hall和德国的Theodor W. Hänsch因为在光学频率梳技术方面的贡献而获得了2005年的诺贝尔物理学奖。
那么，什么是光学频率梳呢？为什么它能够成为光谱的“度量衡”呢？要回答这些问题，我们需要先了解一些基本的概念。
光学频率梳的原理和技术可以追溯到1960年代，当时人们发明了锁模激光器，它是一种能够产生超短脉冲序列的激光器。锁模激光器利用了激光器中不同模式之间的相干性，通过一种叫作锁模的技术，使得不同模式之间的相位关系固定，从而形成稳定的脉冲序列。锁模激光器可以产生飞秒甚至阿秒级别的超短脉冲，具有很高的峰值功率和很宽的带宽。
模激光器的时域和频域特性
锁模激光器的时域特性指的是它在时间上的输出波形，也就是脉冲序列。锁模激光器的时域特性主要由两个参数决定：脉冲宽度和重复频率。脉冲宽度表示每个脉冲持续的时间，重复频率表示每秒钟产生多少个脉冲。例如，一个重复频率为100 MHz，脉冲宽度为100 fs的锁模激光器，在每秒钟内会产生10^8个持续10^-13 s 的脉冲。
锁模激光器的频域特性指的是它在频率上的输出谱线，也就是各个模式的分布。锁模激光器的频域特性主要由两个参数决定：中心频率和带宽。中心频率表示所有模式平均后得到的平均频率，带宽表示所有模式之间的频率范围。例如，一个中心频率为500 THz，带宽为50 THz的锁模激光器，在频域上会有一系列从450 THz到550 THz的模式。
锁模激光器的频率梳
锁模激光器的频率梳指的是它在频域上的输出谱线，也就是各个模式的分布。由于锁模激光器的各个模式之间有固定的相位关系，它们在频域上会形成一系列等间隔的离散谱线，就像一把梳子一样。这些谱线可以用一个简单的公式来表示：f_n = f_0 + n × f_r。
其中，f_n 是第n个谱线的频率，f_0 是偏移频率，f_r 是重复频率，n 是整数。偏移频率表示第一个谱线与零频率之间的差值，重复频率表示相邻两个谱线之间的间隔。例如，一个偏移频率为10 MHz，重复频率为100 MHz的锁模激光器，在频域上会有一系列从10 MHz开始，每隔100 MHz出现一个谱线的分布。
用光学频率梳测量未知的光学频率
光学频率梳可以用来测量未知的光学频率，是因为它可以将光学频率与微波频率联系起来。微波频率是可以用电子设备精确产生和控制的，而且可以用原子钟进行校准。如果我们能够将未知的光学频率与已知的微波频率进行比较，就可以得到未知光学频率的准确值。
那么，如何将光学频率与微波频率联系起来呢？这就需要用到光学频率梳的两个关键技术：自参考和相位控制。
自参考是指利用非线性效应，将光学频率梳中的一个谱线与另一个谱线进行混合，从而产生一个与重复频率相同或相近的微波信号。这个微波信号就是光学频率梳中所有谱线共同拥有的特征，可以用来对齐所有谱线。通过自参考，我们可以确定偏移频率f_0 的值。
相位控制是指利用反馈回路，调节锁模激光器中的腔长或者调制器，使得重复频率f_r 和偏移频率f_0 都与外部稳定的微波源同步。这样，我们就可以将光学频率梳中所有谱线都锁定在精确的位置上。
通过自参考和相位控制，我们就可以得到一个完全稳定和可控的光学频率梳。这时，我们只需要将未知的光学信号与光学频率梳中某一个谱线进行混合，就可以得到一个与未知信号和已知谱线的频率差相关的微波信号。这个微波信号就是未知光学信号的频率信息，可以用电子设备进行测量和分析。通过这种方式，我们就可以将未知光学信号的频率表示为：f_u = f_n ± m × f_r + f_b。
其中，f_u 是未知光学信号的频率，f_n 是与之混合的光学频率梳中的谱线频率，m 是整数，f_b 是混合后产生的微波信号的频率。由于f_n，f_r 和f_b 都是已知或可测量的，我们就可以求出f_u 的值。
