测量频率的“精密直尺”：光学分频器的发展历史和重要应用 | NSR观点

来源：中国科学杂志社

在所有的物理量中，频率或时间（频率的倒数）的测量精度是最高的，因此许多精密测量研究都希望将被测物理量转化为对频率或者时间的测量，从而获得更高的测量精度。

正如长度测量的精度取决于长度标准“米”的精度，时间/频率测量的精度则取决于频率标准的精度。与微波频率标准（精度在10-16）相比，光学频率标准有更高的精度，可达到10-18，甚至更高。然而由于光波振荡非常快，电子元器件根本无法响应，因此如何精确地测量光频是科学家长期追求的目标。 

2000年初诞生的光梳技术为光频测量提供了一种崭新的方法：时/频域精密控制的飞秒激光在宽频谱范围内是一系列频率等间隔和稳定的谱线，这些谱线就好比日常生活中直尺上的刻度，通过读出待测光频与相邻的“频率刻度”的频率差，就可以测量光波频率。由于光梳在光频测量中的革命性突破，光梳的发明者T. W. Hansch和J. L. Hall获得了2005年的诺贝尔物理学奖。

除了可以测量光频，飞秒光梳还能以高精度的频率比值连接不同频率的光波，甚至微波。如下图所示，它就像一个精密的齿轮，实现不同频率光波的连接。通过精确控制输入与输出激光之间的频率比值，用飞秒光梳可以研制成光学分频器。它能以任意分频数实现光波频率转换、光频比值测量，打破了先前只能通过倍频、差频等非线性过程实现少数光频转换的局面。

基于光学频率梳的多通道光学分频器像齿轮一样，可精密地连接不同频率的光波和微波。它能以预设定的频率比值实现不同光波之间的频率转换，也能精确地测量光频比值。

直至今日，科学家们已将光学分频器的频率转换精度精确到第21位，传递噪声小于1 mHz，因此它能对目前世界上最精确的光钟信号或者线宽最窄的激光进行频率转换而不破坏它们的性能。如此高精度的光学分频器将在“秒”的新定义、时间频率网络、大地测量学、验证基本物理理论等研究中发挥重要的作用。同时，利用光学分频器还能研制成光谱学家们梦想已久的光学频率合成器，它能在任意需要的频率处输出高性能的光波。

近期，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的研究小组在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表题为“Optical frequency division”的Perspective文章，介绍了光学分频器的发展历史和重要应用，并展望了其未来发展趋势。