频率梳以前所未有的精度测量光学频率，可以在光学计量学、高精度光谱学、光学原子钟、阿秒科学、天文学以及最近的量子信息处理等无数领域应用。

图片来源：TheodorW.Hänsch和NathaliePicqué，马克斯·普朗克量子光学研究所 ，德国Garching

光学频率梳是一种光源，其光谱不是连续性的，而是由尖锐的窄的等距的激光线构成的离散模式（如图所示）。它可以通过多种机制产生，特别是通过飞秒锁模激光器产生的稳定的具有固定重复率的脉冲序列，或通过非线性介质中的四波混频。前一种技术是由Theodor Hänsch和John Hall于2000年左右发明的，这使得两人分享了2005年诺贝尔物理学奖，因为他们对激光精密光谱学的发展做出了贡献，包括光学频率梳技术。这些光梳的功能就像一个光的“标尺”，使科学家能够非常精确地测定光学频率，彻底改变了基础科学。例如，专门用于宽带光谱的频率梳源的显著进展为探索原子和分子结构和动力学开辟了新的机遇。特别是用于分子指纹识别的中红外区域（2-20μm）和紫外范围（<400 nm）。与光谱学一样，频率梳可以作为精确的光谱尺，支持传统的激光测距方法。频率梳光源已用于光学时钟，可实现精确的时间保持。在时间域中，超短脉冲的包络和载波之间相对相位的控制使得研究发生在光学周期的一小部分的动力学成为了阿秒科学的关键。近年来，通过激光频率梳校准的高分辨率光谱仪，实现了一种新的精确径向速度测量方法，这种方法在寻找类地系外行星中使用，扩大了这些“星梳”作为天文学中光谱观测工具的使用范围。

在这个关于频率梳的焦点问题中，提供了三篇综述文章的集合，提供了关于频率梳片上生成、频率梳光谱学的最新进展以及频率梳在量子科学和技术中的新兴作用的最新进展。多数频率梳的应用最初是使用桌面系统来完成的。然而，基于芯片的非线性光子学为小型化提供了一种解决方案。由于芯部和波导包层之间的高折射率对比，光在波导中的严格限制提供了高光学非线性和在宽范围的泵浦波长范围内进行强色散工程的能力。Gaeta、Lipson和Kippenberg在综述中详细介绍了两种能够产生宽光谱频率梳的芯片工艺：光波导中的超连续谱产生和微谐振器中的克尔梳产生。片上频率梳装置具有高度紧凑、便携、坚固和与低功耗操作完全集成的特点，有望在广泛的应用和环境中使用。NathaliePicqué和TheodorHänsch总结了原子和分子频率梳宽带光谱的新兴和快速发展领域的发展。他们的综述集中在光谱学中频率梳的影响上，其中频率梳用于直接激发样品，而不是作为频率尺。他们明确地专注于选择梳状合成器和利用梳状结构的技术。介绍了频率梳光谱学的光谱技术，包括直接频率梳光谱学、Ramsey梳光谱学、使用色散光谱仪的光谱学、基于Michelson的傅立叶变换光谱学和双梳光谱学（如图：具有略微不同的、精心选择的不同梳间距的两个光学梳发生器在探测器处拍频并输出射频频谱，从而实现高分辨率双梳光谱）。本文还讨论了频率梳光谱法在极端紫外和宽带探测方面的潜力，以及一个片上光谱实验。

量子科学需要逐渐更复杂和更大规模的量子资源。由于频率梳能够提供大量的时间和频率模式，方便大规模的量子系统，因此频率梳提供了一个有趣的解决方案，对于量子信号和信息处理的实用和可扩展框架来说，它是无价的。Michael Kues和他的同事在他们的评论中讨论了通过光子纠缠操作的量子频率梳，从锁模量子频率梳开始，然后是能量——时间纠缠方法。他们讨论了光子集成和光纤通信组件在控制量子状态中的应用，以及这些用于基于光子学的量子科学“量子梳”的潜力。频率梳直到20世纪70年代末 Hänsch实验后才达到目前的形态。从那时起，已经探索了几种新的研究途径。有在未来的十年里，期待频率梳会产生新的分支和惊喜。

来源： Nature Photonics

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