近日，美国国家标准技术研究所(NIST)的物理学家发布了一项最新研究成果显示，现在可以在一分钟内生成微型频率梳核心。用传统的精密加工技术，这个过程可能需要数个小时、数天甚至数周。

    NIST研究出来的这一技术是通过激光加工工艺将石英棒加工成形抛光形成一个小而光滑的圆盘，使得光线能够在其中传播。用户可以控制这一光学共振腔（或共振器）的尺寸和形状。其直径范围可以从1/5毫米至8毫米不等，还可以对厚度和曲率进行调整。其品质因数Q（用于衡量光在共振腔内传播而不泄漏的时间长度指标）等于或超过了其他类型的共振腔Q因数。

    完成石英棒的加工后，NIST科学家用一个小型的低功率红外激光器向其中泵浦光。高Q因数的主要优势就是仅需几毫瓦的激光功率即可生成频率梳。生成共振器只需一分钟，下一分钟就可以制作频率梳了。

    NIST的这一技术比传统微型加工工艺简单得多，成本也远远低于后者。用于该工艺的系统成本为1万美元，其中大部分是用于购买切割用的二氧化碳激光器，远低于洁净室必须配备的耗资高达100-1000万美元的精密加工系统。

    要制作全尺寸的频率梳，需要使用大功率超快激光器。NIST在制造紧凑型频率梳方面已有多年经验，其通常利用大块融化的石英（极为低廉的玻璃材料）来制作共振腔。

    通过将光限制在狭窄的光学共振腔内，可以增强光密度和交互作用。光梳本身就是光，它最初是由一种颜色或频率组成，通过光学工艺后会转化成一组额外的、边界清晰且等距的频谱渐变。典型的NIST微型梳可能包含300个"梳齿"（或视作直尺上的刻度），每个齿的颜色均有轻微不同。微型梳的一项关键优势在于能够根据需要精调梳齿之间的间距，以用于校准天文仪器等应用。这一间距由共振器的尺寸决定；腔越小，梳齿之间的间距越大。

    NIST接下来将为这一加工技术申请专利，专利内容可能适用于一系列其他玻璃材料。未来NIST会将研究重点放在持续改进频率梳的性能以及如何将共振器用于光频标准和低噪音微波振荡器等其他紧凑型应用。

    美国国防部先进研究项目局以及美国太空总署(NASA)为该研究项目提供支持。

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    微环设备能将连续激光转化为“光梳”

    美国普渡大学和国家标准与技术研究院（NIST）的科学家携手研制出了一块能将连续激光转变为大量超短脉冲的微环高频设备，这块设备小巧到能安装在一块计算机芯片上，有望应用于高级传感器、通讯系统和实验室设备中。

    他们研制出的这块“微环谐振器”宽约80微米（与人的一根头发丝差不多），由氮化硅（可与电子设备内广泛使用的硅材料兼容）构建而成。

    普渡大学电子与计算机工程学院的教授安德鲁·维尼解释道，连续波激光器单频激光器是一种非常普通的激光器，可发出强度始终不变的激光，其发出的红外光通过一根光纤进入芯片，随后被波导引导入该微环设备中，并被转化为包含多种频率的高频脉冲，其频率范围为每秒数千亿次。这些不同频率的高频脉冲被称为“梳状线”，因为当它们出现在一个图形中时，就像梳子上的梳齿。

    维尼表示，这种微环光梳生成器可与能产生多个频率和短脉冲的锁模激光器相媲美，不过，微环设备的优势在于它非常小巧。

    激光在微环内会遇到“非线性交互作用”，产生新频率的光梳，并可通过另一条光纤从该设备中发射而出。科学家们表示：“对于光梳的产生来说，这种非线性非常关键。利用非线性，我们能获得拥有很多频率的光梳，其中包括起源光的频率，其余则是微环中产生的新的频率。”

    科学家们希望，能通过精确控制得到光梳的频率，制造出可有效探测有害物质或污染物的高级光学传感器、用于实验室研究的超灵敏分光镜以及基于光子学的能传递大量信息的通讯系统，这样的光学系统不仅能传递更高质量的信息，也可以增加其带宽。另外，这种光梳技术也可用于新一代高带宽电子信号中，在无线通讯和雷达领域找到用武之地。

    尽管此前已有其他科研团队演示过这种光梳生成技术，但最新研究首次使用“光任意波形技术”对这些频率进行了处理。维尼是“光任意波形技术”领域的领先者。科学家们能控制每个光谱线（光谱镊制机或分光计在焦平面上捕捉到的狭长状图形）的波幅和相位，从而了解到存在两类光梳“高相干”和“部分相干”，为研究这一过程的物理学原理开辟了新方向。

    科学家们表示，接下来，他们希望能提取单个光梳线的相位，从而为研究光梳产生过程的物理学原理提供线索，此外也希望制造出可商用的有正确频率的设备。