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科学家研制出第一种光学频率梳

德国康斯坦茨大学的科学家们美国国家标准与技术研究所在美国,科学家们建造了第一个光学频率梳,这是一种精确测量不同可见光频率的工具,它实际上看起来像一个梳子。

这些是新光学频率梳的四个不同区域的照片。光线通过光栅光谱仪过滤,并通过显微镜用数码相机拍摄。每一条可见线或“牙齿”都是梳子中的一个单独频率,它跨越了从红色到蓝色的可见光谱。需要排列1500多张这样的照片才能显示整个梳子。信贷:S.Diddams/NIST

正如10月30日出版的《科学》杂志所描述的,这种新型频率梳的“牙齿”被分离欧洲杯线上买球得足够远,当用简单的光学系统——光栅和显微镜——观察时,人类的眼睛可以看到从红色到蓝色的可见光谱中大约50,000颗牙齿中的每一颗。具有如此分离良好、明显不同的齿的频率梳将是天文学、通信和许多其他领域广泛应用的重要工具。

作为2005年诺贝尔物理学奖的基础,频率梳现在在研究实验室和下一代原子钟中很常见。但到目前为止,梳子齿之间的距离是如此之近,只有通过专门的设备和巨大的努力才能分辨出来,而光在人眼看来,从来就不像与梳子相同的均匀条纹图案。2020欧洲杯下注官网

梳子的每颗牙齿都有不同的频率或颜色(尽管人类的眼睛无法区分附近牙齿之间非常小的颜色差异)。频率梳可以像一把尺子一样用来测量激光器、原子、恒星或其他物体发出的光,精度极高。其他具有更细间距的频率梳是非常有用的工具,但这种新的齿间距更明显的梳子将在许多应用中更有效,如校准天文仪器。

这种新型梳子是由一个极小大小的激光器制造的,它能产生超快、超短的高功率光脉冲,包含数万种不同的频率。在任何频率梳中,光的性质随着时间的推移被转换成刻度或齿状,每一个齿状代表每单位时间内光波的振荡次数越来越多。激光脉冲越短,产生的频率范围就越宽。在《科学》杂志所描述的新梳中,激光脉冲甚至更短,而且比典型欧洲杯线上买球频率梳的重复频率快10到100倍。激光每秒发射100亿个脉冲,每个脉冲持续40飞秒,或千万亿分之一秒,在单个梳子齿之间产生超宽的间距。

这种新型梳子的另一个不同寻常的特点是将激光脉冲有效地耦合到“非线性”光纤中,这大大扩展了梳子中的频谱。由于异常强大的细节其激光是首次出版于2008年,科学家们已经翻了一倍的平均脉冲功率直接进入纤维,使梳首次到达蓝颜色,生产范围内的光谱波长从470到1130纳米,从蓝色到红外。当光纤发出的光经过光栅光谱仪的过滤后,就可以看到5万种不同的颜色。光栅光谱仪是一种常见的实验室仪器,它的作用类似于一个放大的棱镜。

使用nist开发的一种直接连接光和无线电频率的技术,梳状天线跨越的广谱——对于如此快的脉冲频率来说很不寻常——使所有的频率都能稳定下来。稳定性对于应用是至关重要的。

该论文称,直接观察和使用单个梳齿的能力将在天文学、光与物质相互作用的研究以及通信用高速光学和微波信号的精确控制等领域开辟重要应用。例如,NIST的科学家此前已经证明,这种频率梳可以提高天文工具搜索其他类地行星的灵敏度,其灵敏度高达100倍。此外,新的梳子可能有助于NIST开发光信号处理技术的项目,这将极大地扩展通信、监视、光学模式识别、遥感和高速计算技术的能力。

激光是由Albrecht Bartels在康士坦茨大学应用光子学中心建造的。频率梳是在位于科罗拉多州博尔德的NIST物理学家斯科特·迪达姆斯的实验室中建造和演示的。

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