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《美国国家标准与技术研究院（NIST）发布用于太赫兹频率梳测量的超宽带光电子混频器》

  • 编译者： 张宇
  • 发布时间：2025-05-30

  • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）展示了他们研发的用于太赫兹频率梳测量的超宽带光电子混频技术，该技术使用经过改进的高速单向载波（MUTC）光电二极管提供高达500GHz的重复频率的相位相干检测。光电二极管本身的非线性光电子效应使电梳的谐波产生和下混过程具有显著不同的重复频率。具体来说，研究过程中生成了两个25GHz的频率梳，并使用光学滤波器来探索微波、毫米波和太赫兹频率范围内的频率梳光谱分量到基带的相干下混频。光电子混频器出色的噪声抑制性能使毫米波和太赫兹频率梳的相位相干测量成为可能，其测量时间为 τ，而艾伦偏差为 10^-13/τ。NIST进一步研究了转换损耗对反向偏置电压和光电流的依赖程度。实验结果表明，通过在最佳电压和最大可用光电流下运行光电二极管，可以将转换损耗降至最低。这项研究为毫米波和太赫兹频率梳的测量提供了一种解决方案，并有助于实现具有微共振器的完全稳定的频率梳。

    该项研究的成果已发表在《Optics Letters》期刊上。（DOI：10.1364/OL.557366）

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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员开发了一种新型频率梳，有望进一步提高计时的准确性》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-04-18
    • 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。
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）发布对新型原子钟NIST-F4原子频率标准的精度评估，将显著提升全球时间基准的稳定性和可靠性》
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2025-05-30
    • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员在《Metrologia》期刊发表了一篇文章（DOI：10.1088/1681-7575/adc7bd），将NIST-F4确立为世界上最精确的计时器之一。NIST已向国际计量局（BIPM）提交了该时钟，申请将其作为主要频率标准予以接受。BIPM是负责监督全球时间的机构。 NIST-F4测量的是铯原子内部一个不变的频率，这是自1967年以来国际上一致同意的定义“秒”的基础。该时钟基于一种“喷泉”设计，这种设计代表了时间计量的最高精度标准。NIST-F4的运行如此稳定，以至于如果它在1亿年前恐龙漫游的时代就开始运行，那么到今天它的时间误差也不会超过1秒。 通过加入由全球仅10个国家运行的类似精英时钟的小型群体，NIST-F4使全球时间的基础更加稳定和安全。与此同时，它还在帮助引导NIST用于保持美国官方时间的时钟。通过无线电和互联网传播的美国官方时间，对于电信和交通系统、金融交易平台、数据中心运营等至关重要。 NIST时间与频率部门主任Liz Donley表示：“NIST-F4改进了时间信号，这些信号每天被使用数十亿次，用途广泛，从校准钟表到确保数千亿美元电子金融交易的准确时间戳。” 一种特殊的时钟 像NIST-F4这样的铯原子喷泉钟是一种原子钟——一种复杂且高精度的设备，能够从原子中提取时间脉冲。这些时钟在我们这个全球互联的社会中发挥着关键作用：它们作为“主要频率标准”，共同校准协调世界时（UTC，即一个使用全球原子钟数据达成共识的时间计量系统，也称为时间尺度）。 像NIST这样的国家计量实验室利用自己的时间尺度来生成和分发UTC的版本；例如，NIST生成的版本称为UTC（NIST）。这些国家时间尺度随后被用于同步我们在日常生活中依赖的时钟和网络。 在喷泉钟中，首先利用激光将数千个铯原子冷却到接近绝对零度。随后，一对激光束轻柔地将原子向上抛起，之后原子会在自身重力作用下下落。 在原子的这段旅程中，它们会两次穿过一个充满微波辐射的小腔室。第一次是在原子上升过程中，微波将原子置于一个量子态，该量子态以一种特殊的频率——铯共振频率——随时间循环，这是一个由自然规律设定的不变常数。 大约一秒钟后，当原子再次下落时，微波与原子之间的第二次相互作用揭示了时钟的微波频率与原子的自然共振频率之间的接近程度。这一测量结果被用来将微波频率调整至原子共振频率。 随后，一个探测器会计算经过微调的微波的9,192,631,770个波周期。计算这些周期所需的时间定义了国际标准的“一秒”。 （这一定义可能会在2030年发生改变，届时各国计划考虑用一种或多种不同的原子元素重新定义“秒”，这些元素被用于所谓的光学钟，其测量时间的精度甚至高于喷泉钟。即便如此，铯原子喷泉钟在时间计量中仍将发挥重要作用，尽管其重要性有所降低。） 历经多年打造的“旅程” 全球正在运行的铯原子喷泉钟还不到20台。与用于互联网数据中心、股票市场和其他私营企业以计秒的商用原子钟不同，几乎每一台喷泉钟都是由像NIST这样的国家计量实验室的科学家建造和运行的。“这是一种非常优美的技术，具有真正的性能优势，但它非常娇贵。”NIST喷泉钟团队的物理学家Greg Hoth表示。 让NIST-F4加入这个精英队伍是一个历经多年的旅程。NIST的科学家们在20世纪90年代末建造了该机构的第一台喷泉钟NIST-F1。NIST-F1运行了超过15年，并被用于执行定期的频率校准。然而，喷泉钟的精密程度有多高，它们就有多脆弱。2016年搬入新大楼后，该时钟不得不经过修复并经过仔细测试，以再次作为主要频率标准运行——这一过程比预期花费的时间更长。 2020年，物理学家Vladislav Gerginov开始研究NIST-F1的频率测量。最终，他、Hoth以及同事们决定从头开始重建时钟的核心部件——微波腔，铯原子就是在这个腔体中被测量的。为了达到必要的精度，他们需要实现5到10微米的公差——大约是人类头发宽度的五分之一。 科学家们增加了新的电加热线圈、磁线圈、光学元件和微波组件，并进行了微调。NIST团队决定将这台新的喷泉钟命名为NIST-F4。（NIST已经建造了另外两台喷泉钟，NIST-F2和NIST-F3，因此NIST-F4是该系列的第四台。） 研究团队花费了数月时间进行测量，以确保NIST-F4不会因压力和温度波动或杂散电场和磁场等因素而受到影响。他们将喷泉钟的滴答声与氢气钟（用于计美国官方时间的主力原子钟）的滴答声进行比较，以确保它们保持稳定且不变的节奏。 “喷泉钟本应是非常单调的，”Hoth表示。 “评估像NIST-F4这样的喷泉钟是一个缓慢的过程，因为我们需要非常谨慎，”Gerginov表示。“在投入使用之前，我们必须对它的一切都了如指掌，”他说，因为时钟信号中的任何误差不仅会破坏美国的时间，还可能破坏全球时间计量基础设施。 近日，NIST团队在《Metrologia》期刊上报告称，NIST-F4的频率测量精度达到了10的16次方（1000万亿）分之2.2——与世界上最好的喷泉钟相当。NIST团队还将时钟数据发送给了国际计量局（BIPM），在那里，一个专家团队正在对其进行检查，之后BIPM将正式认证该时钟为主要频率标准。 Donley表示：“NIST-F4的成功重新确立了NIST在主要频率标准领域的全球领导地位。”“Vladi和Greg凭借他们的聪明才智和技能，恢复了NIST原子喷泉钟的可靠、世界级运行。” NIST-F4和另一台喷泉钟NIST-F3大约90%的时间都在运行，且在任何给定时刻至少有一台时钟在运行。NIST-F4的数据将定期发送给BIPM以校准协调世界时（UTC），而这两台时钟已经在帮助引导NIST时间尺度UTC(NIST)。 Donley表述：“NIST时间尺度已经从喷泉钟的高运行时间和其性能的可靠性中显著受益。”
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