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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
光學頻率梳是一種激光器，可以產生一系列極短的光脈沖，其光譜由等間距的頻率線組成。自20年前引入以來，它們已成為無與倫比的頻率、時間和距離計量的標尺，是計量學和光學傳感領域的重要工具。隨著頻率梳的應用范圍不斷擴大，其用途已不僅僅是作為參考標尺。頻率梳有許多用途，包括在光學原子鐘、痕量氣體傳感器和高精度距離測量中。在這些應用中，多個固定梳作為差分標尺，通過鎖相使它們在頻率梳線或脈沖之間具有游標式偏移。這些應用依賴于頻率梳光譜和脈沖輸出的剛性穩定。一旦穩定下來，頻率梳產生一個固定的光脈沖序列，周期精確到小于1飛秒。
新思路
有鑒于此，美國科羅拉多州博爾德國家標準與技術研究所Laura C. Sinclair等人演示了一種靈活的可編程頻率梳，其中脈沖時間和相位以±2阿秒的精度進行數字控制。這種靈活性使傳感應用中的量子有限靈敏度得以實現，因為可編程梳狀可以配置為在散粒噪聲極限下相干跟蹤微弱的返回脈沖序列。為了突出其功能，作者在測距系統中使用了這種可編程梳狀，與傳統的雙梳狀系統相比，將達到給定精度所需的功率減少了約5000倍。這使得在保持剛性頻率梳完全精度和精度的情況下，能夠以每脈沖1/77的平均光子數進行測距。除了時間和頻率計量學中的測距和成像應用外，梳狀光譜、泵-探頭實驗和壓縮傳感還受益于梳狀脈沖時間和相位的相干控制。
圖 演示時間可編程光學頻率梳
技術優勢：
1、實現了頻率梳可控脈沖
2、實現了頻率梳的“相干”控制
3、實現了超高精度的脈沖控制以及快10倍的測量速度
4、實現了在標準量子精度極限附近的距離測量
5、功率減小了5000倍
技術細節
時間可編程頻率梳
圖 一種時間可編程頻率梳
雙梳測距應用
圖 通過服務水平說明和描述TPFC的時間可編程性
圖 帶有時間可編程頻率梳的雙梳測距
可編程頻率梳應用拓展
圖 移動回復反射器的測距和速度數據
圖 常規和跟蹤雙梳狀測距的比較
展望
總之，TPFC結合了自參考頻率梳的精度和準確度，在時間和相位上具有靈活性，精度為2 as。TPFC基于光纖頻率梳，但任何帶有能夠跟蹤和操縱相位的控制電子器件的自參考梳（或鎖定到廣泛分離的光學振蕩器的梳）都可以充當TPFC。通過雙梳狀測距演示，表明TPFC可以在時間和頻率上作為光學跟蹤振蕩器工作，產生接近量子噪聲限制的測距，精度為0.7納米。最后，雙光梳測距僅僅是其中一個應用，在其他多光梳傳感和計量應用中，TPFC在提高信噪比方面具有同樣的前景，同時保持梳狀計量的標志性精度方面具有同等的前景。
參考文獻：
An optical innovation for metrology at the quantum limit of precision. Nature(2022).
https://doi.org/10.1038/d41586-022-03153-1
Caldwell, E.D., Sinclair, L.C., Newbury, N.R. et al. The time-programmable frequency comb and its use in quantum-limited ranging. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05225-8
