光頻梳的應(yīng)用與未來前景

介紹

光頻梳是一種特殊的超短脈沖激光器，類似于光的尺子，可將無線電和微波頻率與光波頻率連接起來。目前已經(jīng)在光鐘計(jì)時(shí)、天文學(xué)和宇宙學(xué)、精確測量、氣體分析、醫(yī)學(xué)診斷等方面有眾多應(yīng)用。在未來的時(shí)間里，科學(xué)家和他們的合作者也將繼續(xù)探索各類光頻梳的巨大潛力。

正文

光頻梳是一種特殊的超短脈沖激光器，其類似于光的尺子，能夠快速而準(zhǔn)確地測量光的頻率。這樣一種獲得諾貝爾獎(jiǎng)的設(shè)備填bu了一個(gè)重要的技術(shù)空白——科學(xué)家能夠像處理無線電波一樣測量和控制光波。借助光頻梳，科學(xué)家們可以將無線電和微波頻率與頻率高10,000倍的光波無縫連接。據(jù)此，光頻梳也產(chǎn)生了眾多應(yīng)用方向。

計(jì)時(shí)

光頻梳對原子鐘和時(shí)間測量產(chǎn)生了革命性的影響。光學(xué)原子鐘通過計(jì)數(shù)原子的自然振蕩來標(biāo)記時(shí)間，其振蕩頻率遠(yuǎn)高于基于微波的標(biāo)準(zhǔn)原子鐘。然而，目前用于測量微波原子鐘頻率的電子系統(tǒng)無法計(jì)算光學(xué)上的振蕩信號。光頻梳均勻而精確的梳齒間距使其能夠?qū)?/span>光頻率分割為與電子和微波信號相匹配的部分，從而建立起光學(xué)原子鐘與微波原子鐘以及電子設(shè)備之間的聯(lián)系。這種聯(lián)系為科學(xué)家們建立更快、更準(zhǔn)確的時(shí)間測量系統(tǒng)提供了可能，有望重新定義秒的概念。

全qiu定位系統(tǒng)（GPS）依賴于衛(wèi)星和接收器之間無線電信號的時(shí)間關(guān)系來確定實(shí)時(shí)位置。因此科學(xué)家們期望在導(dǎo)航衛(wèi)星上使用光學(xué)原子鐘以提高系統(tǒng)精度，使GPS能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級的定位。

此外，光學(xué)原子鐘在量子物理學(xué)方面也具有重要應(yīng)用。通過將時(shí)間劃分為ji小的時(shí)間段，科學(xué)家們可以測量以前無法檢測到的變化，如短距離尺度上的引力紅移等。

總而言之，光頻梳和光學(xué)原子鐘的出現(xiàn)為時(shí)間測量和相關(guān)領(lǐng)域帶來了巨大的創(chuàng)新和應(yīng)用前景。

天文學(xué)和宇宙學(xué)

先jin的光頻梳在尋找系外行星方面具有巨大的潛力。科學(xué)家們利用光頻梳可以精確地追蹤來自遙遠(yuǎn)恒星的光譜，通過觀察恒星的微小搖擺，他們可以推斷出是否存在類似地球的行星環(huán)繞著這些恒星運(yùn)行。

這項(xiàng)技術(shù)被稱為徑向速度法，它基于行星對恒星的引力影響。當(dāng)行星繞恒星運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)引起恒星的微弱運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以通過恒星的光譜來檢測。光頻梳的高精度測量能力使得科學(xué)家們能夠探測到非常微小的恒星搖擺，這為發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)行星提供了強(qiáng)有力的工具。通過分析恒星光譜的變化，科學(xué)家們還可以確定行星的質(zhì)量、軌道和運(yùn)動(dòng)速度等重要參數(shù)。因此，光頻梳推動(dòng)了我們對宇宙中行星系統(tǒng)更深入的研究。

精確距離測量

光頻梳提供了ji高的頻率穩(wěn)定性和分辨率，使得激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的距離測量。

激光器發(fā)射一束脈沖激光，當(dāng)激光束照射到目標(biāo)物體上并被反射回來時(shí)，光頻梳就可以對這些光進(jìn)行精確的頻率分析。通過測量光的往返時(shí)間和頻率變化，激光雷達(dá)可以精確計(jì)算出物體與雷達(dá)之間的距離。這在許多應(yīng)用領(lǐng)域都非常重要，例如無人駕駛汽車、測繪和環(huán)境監(jiān)測等。

利用光頻梳的特性，激光雷達(dá)還可以實(shí)現(xiàn)更多功能。通過分析反射光的頻率變化，激光雷達(dá)可以提供目標(biāo)物體的速度信息。此外，光頻梳還可以用于多目標(biāo)檢測和跟蹤，通過對多個(gè)目標(biāo)的距離和速度進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜場景的感知和識別。NIST的火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室就可以使用頻率梳技術(shù)“透視"火焰并識別火焰中熔化的物體。基于頻率梳的激光雷達(dá)還可以被用于創(chuàng)建三維地圖。

大氣科學(xué)和溫室氣體

光頻梳可以通過吸收光的頻率來識別原子和分子，這為快速、高效地研究各種分子和原子的數(shù)量和特性提供了可能。由于光頻梳可以在短脈沖中產(chǎn)生大量的頻率，因此它們能夠用于探索大型或復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性。

這項(xiàng)技術(shù)具有廣泛的潛在應(yīng)用，其中之一便是研究大氣污染問題。科學(xué)家們利用光頻梳可以研究由化石燃料燃燒所產(chǎn)生的空氣污染短壽命分子。例如，JILA的科學(xué)家們使用光頻梳技術(shù)，對燃燒過程中產(chǎn)生的污染物進(jìn)行了深入研究。

在2019年，NIST（美國guo家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）、科羅拉多大學(xué)博爾德分校和LongPath Technologies的科學(xué)家和工程師們合作開發(fā)了一種雙梳便攜式光譜系統(tǒng)，用于檢測油氣田中微小的甲烷排放量。這種系統(tǒng)利用光頻梳的高精度頻率測量能力，能夠準(zhǔn)確地檢測和量化甲烷等溫室氣體的排放。這對于監(jiān)測和控制溫室氣體排放，以及改善環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

圖1 這幅插圖展示了在油氣田中使用移動(dòng)雙頻梳式激光光譜儀來檢測微量氣體的過程。光譜儀位于一個(gè)由反射鏡環(huán)繞的圓圈的中心。來自光譜儀的激光光線（黃色線）穿過氣體云層，擊中反射鏡，然后直接返回到其起點(diǎn)。收集到的數(shù)據(jù)用于識別泄漏的微量氣體（包括甲烷），以及泄漏位置和其排放速率。

yi學(xué)診斷

光頻梳在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景。類似于在化學(xué)應(yīng)用中使用光頻梳來檢測微量分子指標(biāo)，光頻梳也可以用于檢測疾病的微量分子指標(biāo)。科學(xué)家們正在利用光頻梳開展實(shí)驗(yàn)，開發(fā)能夠通過呼氣分析來檢測疾病的儀器。這項(xiàng)研究的目標(biāo)是通過分析個(gè)體呼氣中的成分，尋找與特定疾病或健康狀況相關(guān)的生物標(biāo)志物或指標(biāo)。通過檢測呼氣中的微量分子，例如揮發(fā)性有機(jī)化合物和代謝產(chǎn)物，光頻梳有望提供一種快速、非侵入性的診斷方法，改變疾病的檢測和監(jiān)測方式。

然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，這些醫(yī)學(xué)應(yīng)用目前仍處于開發(fā)和驗(yàn)證階段。雖然科學(xué)家們在利用光頻梳進(jìn)行呼氣分析的研究方面取得了一些進(jìn)展，但仍需要進(jìn)行更多的研究和臨床試驗(yàn)來確保基于光頻梳的呼氣分析系統(tǒng)在疾病檢測中的可靠性、準(zhǔn)確性和有效性。

光學(xué)頻率梳的下一步是什么?

光頻梳在頻率范圍和應(yīng)用領(lǐng)域上取得了顯著的進(jìn)展。現(xiàn)今的光頻梳比早期版本的頻率范圍更廣，可以涵蓋從深紅外到極紫外的范圍。特別是紫外光頻梳有望在未來用于驅(qū)動(dòng)原子核的躍遷，這將為時(shí)鐘和光譜學(xué)研究納米shi界帶來新的可能性。

另一個(gè)重大進(jìn)展是光纖激光頻率梳。光纖激光頻率梳利用光纖組件，可以長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。科學(xué)家們還在研究和測試如何將光纖激光頻率梳應(yīng)用于太空，通過不斷改進(jìn)光纖激光頻率梳的性能、功率和耐用性，以適應(yīng)新的應(yīng)用和環(huán)境。

盡管許多頻率梳目前的尺寸大約相當(dāng)于一個(gè)鞋盒，但科學(xué)家們一直在努力將其尺寸縮小，片上光頻梳在數(shù)據(jù)中心和其他高性能計(jì)算系統(tǒng)中具有更大的商業(yè)應(yīng)用潛力。特別是，其光譜學(xué)能力也可以整合到智能手機(jī)和可穿戴技術(shù)中，用于健康監(jiān)測。然而，實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)。盡管許多組件已經(jīng)被微型化，但將它們wan全集成到單個(gè)芯片上仍然具有挑戰(zhàn)性。

上海昊量光電作為國內(nèi)專業(yè)的光電設(shè)備代理商，針對光頻梳、微腔光頻梳、fceo測量模塊、鎖相環(huán)、高重頻脈沖振蕩器等各類光電設(shè)備都可以提供選型及各項(xiàng)技術(shù)服務(wù)。對于任何產(chǎn)品有興趣或者有任何問題，都?xì)g迎通過電話、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系。

在未來，科學(xué)家們將繼續(xù)探索各種類型光頻梳的巨大潛力，并努力克服目前面臨的技術(shù)和工程難題。這些努力將為光頻梳的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用開辟新的道路，為科學(xué)研究和商業(yè)應(yīng)用帶來更多的創(chuàng)新和機(jī)會(huì)。

更多詳情請聯(lián)系昊量光電/歡迎直接聯(lián)系昊量光電

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專 業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測量設(shè)備、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國 防、量 子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提 供完 整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務(wù)。