計時

光學(xué)頻率梳在原子鐘和計時方面具有歷史性的意義。光學(xué)原子鐘通過計算原子的自然振蕩來標(biāo)記時間的流逝，就像老爺鐘計算鐘擺的擺動一樣。這些原子每秒振蕩約 500000 億次，比標(biāo)準(zhǔn)微波原子鐘的頻率高得多。目前用于測量微波原子鐘頻率的電子系統(tǒng)根本無法計算光學(xué) "滴答 "聲。

由于光學(xué)頻率梳的齒間距均勻且精確，因此梳齒的作用就像時鐘的齒輪一樣，可以接收較快的光學(xué)頻率，能將較快的光頻分解為電子鐘和當(dāng)前原子鐘使用的低頻微波信號。這樣，科學(xué)家們就能將光學(xué)原子鐘的高頻 “滴答聲 ”與微波鐘的低頻 “滴答聲 ”以及當(dāng)今計算機(jī)和通信系統(tǒng)使用的電子設(shè)備聯(lián)系起來。

有了這些在電子設(shè)備、微波工具和光學(xué)原子鐘之間傳輸精確信號的 “齒輪”，科學(xué)家們就可以利用這些功能強(qiáng)大的新時鐘來建立更快、更精確的計時系統(tǒng)。光學(xué)原子鐘最終可能會重新定義秒。

光頻梳的作用就像時鐘中的齒輪，讓科學(xué)家能夠輕松地將高頻光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換為低頻微波，反之亦然。它們甚至可以幫助科學(xué)家在不同的光學(xué)頻率之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

為了將這些新時鐘用于國家和全球計時，科學(xué)家需要能夠比較來自不同距離的時鐘信號。光學(xué)頻率梳也有助于實現(xiàn)這一目標(biāo)。NIST 和 JILA(NIST 和 CU Boulder 的聯(lián)合研究所)使用激光雷達(dá)在空中發(fā)送時間信號，對兩種不同的原子鐘進(jìn)行比較。

改進(jìn)計時系統(tǒng)在從股票交易到導(dǎo)航等許多技術(shù)應(yīng)用中都至關(guān)重要。全球定位系統(tǒng)(GPS)的衛(wèi)星和接收器來回發(fā)送無線電信號，并利用這些信號的時間來確定用戶的位置。全球定位系統(tǒng)使用軍用時間，這些時鐘會定期與民用時鐘(如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的光學(xué)原子鐘和世界各地的其他類似時鐘)核對時間。

光學(xué)原子鐘在研究量子物理學(xué)方面也很有用。通過將時間分割成令人難以置信的小片，科學(xué)家可以利用這些時鐘測量以前無法檢測到的變化，例如短距離尺度上的引力紅移，即引力對時間流逝的影響。

天文學(xué)和宇宙學(xué)

先進(jìn)的光學(xué)原子鐘還能讓科學(xué)家們研究我們地球以外的大自然常數(shù)。例如，在光學(xué)頻率梳的幫助下，NIST 的科學(xué)家們正在利用這些改進(jìn)的時鐘來尋找難以捉摸的暗物質(zhì)。

光學(xué)頻率梳還在幫助科學(xué)家尋找遙遠(yuǎn)恒星周圍的系外行星。通過跟蹤這些恒星發(fā)出的光的確切顏色，他們可以尋找恒星運動中的擺動，這將表明有一顆類似地球的行星圍繞恒星運行。

精確測量距離

光學(xué)頻率梳可以遠(yuǎn)距離工作。2013 年，NIST 獲得了激光雷達(dá)使用，這是一種光探測和測距系統(tǒng)，利用光頻率梳通過分析物體反射的光來測量物體的距離。

該系統(tǒng)已在一些研究應(yīng)用中使用。NIST 的火災(zāi)研究實驗室利用頻率梳 “看 ”穿火焰，并識別出熔化物體?；陬l率梳的激光雷達(dá)還被用于繪制 3D 地圖。最終，使用光學(xué)頻率梳的激光雷達(dá)可以使衛(wèi)星和其他空間儀器保持緊密編隊飛行，發(fā)揮單一儀器的作用。

大氣科學(xué)與溫室氣體

原子和分子可以通過其吸收光的頻率來識別。由于光學(xué)頻率梳能在短脈沖中產(chǎn)生數(shù)百萬個頻率，因此可用于快速有效地研究各種分子和原子的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和動態(tài)。

這有許多潛在的應(yīng)用，并已被用于研究污染問題。JILA 的科學(xué)家利用光學(xué)頻率梳研究了將燃燒化石燃料與空氣污染聯(lián)系在一起的短壽命分子。頻率梳還可以探測大型復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)。

科學(xué)家們還致力于利用光學(xué)頻率梳檢測氣體中各種分子的痕量。2019 年，來自 NIST、科羅拉多大學(xué)博爾德分校和 LongPath Technologies 的科學(xué)家和工程師開發(fā)了一種雙梳便攜式光譜系統(tǒng)，用于檢測油氣田排放的微量甲烷。

審核編輯 黃宇