就像米尺用數(shù)百個刻度線來精確測量距離一樣，激光頻率梳有數(shù)百個均勻分布且邊界清晰的頻率，可以用來精準(zhǔn)測量光波的顏色。均勻間隔的頻率類似于梳子齒，因此得名激光頻率梳。它使新一代原子鐘成為可能，大大增加了通過光纖的信號數(shù)量，以及通過辨別星光中微小頻率變化，找到隱藏的行星。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）的科學(xué)家們合作研發(fā)了一種新型的芯片上的“微梳”，通過提升和拓展這些微型設(shè)備的能力來促進(jìn)時間頻率測量技術(shù)的進(jìn)步。

圖：實(shí)驗(yàn)裝置在低溫冷卻的激光微諧振器頻率梳中生成一組穩(wěn)定的頻率。半導(dǎo)體鋁砷化鎵制成的環(huán)形微諧振器足夠小，可以安裝在微芯片上，并且以非常低的激光功率工作。

這種頻率微梳的核心是一個光學(xué)微諧振器，這個環(huán)形裝置的寬度約為人一根頭發(fā)的厚度。來自外部激光的光在其周圍形成高強(qiáng)度。由玻璃或氮化硅制成的微梳通常需要用于外部激光的放大器，使得梳子本身變得復(fù)雜、難以處理且生產(chǎn)成本極高。

NIST和UCSB的研究人員已證明，如果用半導(dǎo)體鋁砷化鎵制作微梳將具有兩個重要特性：這種頻率梳在極低功率下工作，因此不需要放大器；同時可以產(chǎn)生超穩(wěn)頻率，這正是使用微芯片梳作為靈敏工具精準(zhǔn)測量頻率所需的能力。該項(xiàng)研究屬于“芯片上的NIST”項(xiàng)目。

研究人員認(rèn)為，該微梳技術(shù)可以幫助工程師和科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行精確光頻率測量。另外，通過類似用于制造微電子產(chǎn)品的納米制造技術(shù)可以大量生產(chǎn)微梳。

UCSB的科學(xué)家們研發(fā)了由砷化鋁鎵構(gòu)成的微諧振器，用這種微諧振器制成的頻率梳僅需由其他材料制成設(shè)備功率的百分之一。同時，NIST團(tuán)隊(duì)將微諧振器放置在比絕對零度低4度的溫度下探測該設(shè)備。低溫實(shí)驗(yàn)表明，激光產(chǎn)生熱量與微諧振器中循環(huán)光之間的相互作用是導(dǎo)致設(shè)備生成所需高穩(wěn)定頻率的唯一障礙。

在低溫下，研究小組證明了它可以達(dá)到所謂的“孤子狀態(tài)”，即在這種狀態(tài)下，單個光脈沖不會改變其形狀，頻率或在微諧振器內(nèi)循環(huán)速度。有了這樣的孤子，頻率梳的所有齒都彼此同相，可以用作標(biāo)尺來測量光鐘、頻率合成或激光測距中使用的頻率。

研究人員將該成果發(fā)表在2020年6月出版的《激光與光子學(xué)評論》雜志中。