被称为频率梳的芯片设备，以无与伦比的精度测量光波的频率，已经彻底改变了计时，探测太阳系外的行星和高速光通信。
近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家和他们的合作者已经开发出了一种制造这种梳子的新方法，有望提高它们已经非常精确的精度，并允许它们测量以前无法达到的频率范围内的光。扩大的范围将使频率梳探测细胞和其他生物材料。
这种新设备是在一个小玻璃芯片上制造的，与以前基于芯片的频率梳（也被称为微型梳）的工作方式完全不同。
频率梳就像光的尺子。就像普通尺子上均匀间隔的刻度可以测量物体的长度一样，微梳上均匀间隔的频率尖峰可以测量光波的振荡或频率。
研究人员通常使用三个元素来构建微梳:单个激光器，称为泵浦激光器;一个微小的环形谐振器，最重要的元素;以及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运动。通过仔细调整激光的频率，环内的光可以变成一个孤波——一个在移动时保持其形状的孤波脉冲。
每当孤子绕环转一圈，就会有一部分脉冲分离出来，进入波导。很快，一串类似尖峰的窄脉冲就会填满波导，每个尖峰在时间上间隔相同的固定时间——也就是孤子完成一圈所需的时间。这些尖峰对应于一组均匀间隔的频率，并形成频率梳的刻度或“齿”。
这种产生微梳的方法虽然有效，但只能产生以泵浦激光频率为中心的频率范围内的梳。为了克服这一限制，NIST的研究人员gracimory Moille和Kartik Srinivasan与新西兰奥克兰大学的Miro Erkintalo和Dodd-Walls光子与量子技术中心领导的一个国际研究小组合作，从理论上预测了一种产生孤子微梳子的新过程，然后通过实验证明了这一过程。新方法不是使用单一的激光器，而是使用两个泵浦激光器，每一个都以不同的频率发射光。这两种频率之间复杂的相互作用产生了一个中心频率恰好位于两种激光颜色之间的孤子。
这种方法使科学家能够在不再受泵浦激光器限制的频率范围内制造出具有新特性的梳子。通过产生与注入泵浦激光不同频率的梳状结构，该装置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（被称为参数驱动微梳）背后的物理原理可能会导致其他重要的进步。一个例子是与微梳单个齿相关的噪声的潜在改善。
在单激光产生的齿梳中，泵浦激光直接只雕刻中心齿。因此，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，两个泵浦激光器塑造每个齿。根据理论，这将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型梳子。
双激光系统提供了另一个潜在的优势:它产生的孤子有两种类型，可以比作有正号或负号。一个特定的孤子是负的还是正的纯粹是随机的，因为它是由两个激光之间相互作用的量子特性产生的。这可能使孤子形成一个完美的随机数生成器，它在创建安全密码和解决一些统计和量子问题方面起着关键作用，否则用普通的非量子计算机是不可能解决的。
研究人员在3月14日的《Nature Photonics》网络版上描述了他们的工作（DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-024-01401-6）。该团队包括来自比利时布鲁塞尔自由大学的franois Leo和他的同事，法国第戎的勃艮第大学的Julien Fatome，以及来自NIST和马里兰大学合作研究的联合量子研究所的科学家。
