2026年10月5日——如果没有能放进口袋的尺子和卷尺，世界会大不相同。木匠、时装设计师和工程师都依赖这些可靠工具来检查从木板到布样等各种东西的尺寸。但研究光的物理学家在从事其专业中最基本的测量之一时，却缺少这种便利。他们经常需要测量并比较所用光波的频率——也就是颜色。迄今为止，他们一直缺少一种同样可放进口袋、用于常规测量的工具，只能将就使用笨重设备；这些设备挤占实验室空间，且远不便携。

测量光频率的标准工具称为光学频率梳。这种设备会产生一系列不同频率的光，像卷尺上的刻度线一样按规则间隔排列。频率梳让研究人员能够测量不同频率之间的差异，对许多使用光的实验和测量至关重要。大型实验室装置已经证明了频率梳的用途，使世界上一些最精确的时钟——原子钟——以及其他许多应用成为可能。研究人员一直在寻求更小的光学频率梳，既是为了让工作更轻松，也是为了为新的光基技术奠定基础。例如，便携式原子钟可帮助绘制地下矿藏变化图，并使不依赖GPS卫星信号的导航系统成为可能。

JQI的研究人员与一个国际合作团队合作，开发并展示了一种新型频率梳。新设计无需笨重设备，同时还能轻松让单个设备适应各种实际测量任务。研究人员在2026年9月30日发表于期刊Nature的一篇文章中，描述了他们频率梳背后的进展及其在常见任务中的表现。为了展示其紧凑设备的适应性，他们将其与多种光源配合使用，以测试其完成光学频率梳日常核心任务的能力。

这一成果建立在JQI研究科学家Grégory Moille和JQI Fellow兼联合主任Kartik Srinivasan十年来对可置于便携芯片上的微型光学频率梳的研究之上。他们的新方法源于与Miro Erkintalo领导团队的合作伙伴关系；Miro Erkintalo是新西兰奥克兰大学（UoA）和Dodd-Walls Centre for Photonic and Quantum Technologies的研究人员。双方合作探索制造光学频率梳的新方法。利用新方法，该团队——还包括马里兰大学巴尔的摩郡分校（UMBC）、加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）、AV Incorporated和美国空军研究实验室（AFRL）的同事——制作出一种光学频率梳，其性能与旧式庞大台式版本相当，但占用的实验室空间仅为后者的一小部分。

“尽管我们多年来一直研究芯片集成光学频率梳，但它们的控制和稳定——这对许多应用至关重要——往往既复杂又困难，”论文第一作者、同时也隶属于美国国家标准与技术研究院（NIST）的Moille说。“借助这种新方法，我们终于看到了将它们用于可部署原子计时的一条可行路径，这是它们最苛刻也最重要的应用之一。”

两台激光器胜于一台

新型光学频率梳依赖于一种称为参量驱动腔孤子（PDCS）的现象，该现象由Erkintalo领导的团队于2023年首次预测。PDCS涉及让来自两个激光器的光在称为微谐振器的微小环中循环。如果环的形状合适，并且研究人员以恰当方式将光注入其中，那么循环的光会通过构成环的材料与自身相互作用，并产生一串可用作频率梳的脉冲。基于PDCS的频率梳本身建立在近二十年研究的基础上，这些研究使用单台激光器注入芯片上的微谐振器来产生频率梳；但此前的尝试未能使芯片技术摆脱笨重设备，也未能让其在实验室外可靠部署。

这一合作始于Moille和Srinivasan（他同时也是NIST Fellow）了解到Erkintalo及其同事的预测之后；两个团队联手将其变为现实。他们于2024年报告了产生PDCS的实验，并表明他们找到了一种测量此前无法触及的一系列频率的方法。

那次首次PDCS演示证明了概念并探索了基础物理，但把许多关于其在实际任务中表现如何的研究留给了未来实验。特别是，该频率梳产生了多组相互重叠的频率线。这种重叠使频率梳几乎无法使用，就像一把印有多组刻度线的错误尺子。

在新论文中，研究人员将PDCS方法与一种同步技术相结合；Srinivasan、Moille及其同事此前已证明该技术能够稳定光学频率梳。这些技术的结合使所有频率线锁定对齐——这一过程称为自对准——并提供了一把只有单组刻度线的纯净尺子，用于测量频率。

Moille和Srinivasan将这种在谐振器中驱动光的特定方式昵称为SParCS（自对准参量驱动腔孤子）。基于SParCS的新型频率梳具有独特优势，这些优势源于它们在整个频率梳中分配不同频率光所携带功率的方式。过去的方法使用单台激光器产生一个在激光频率两侧展开的频率梳。那些额外频率——频率梳齿——离中心频率越远，功率越低，并且在边缘处变得越不清晰。

相比之下，研究人员可以选择两台频率不同的激光器，为特定任务产生频率梳；PDCS技术中使用的两台激光器充当频率梳的两端，额外的梳齿则在两者之间形成。这会在整个频率梳中产生更精确的梳齿，并将功率向边缘集中，而边缘梳齿往往是许多实际测量中的关键梳齿。

特别是，如果不知道频率梳距离零频率有多远——这个值称为零频率偏移——就不可能测量频率的精确值。物理学家必须为每个频率梳找到该偏移，因为每个谐振器制造中的微小差异都会使每个频率梳略有不同。

边缘梳齿通常对于确定给定频率梳的零频率偏移至关重要。有一种标准方法可以找到它，该方法的创造者因此获得了2005年诺贝尔物理学奖，但频率梳必须满足一个关键要求才能奏效：其中一个梳齿的频率必须约为一个较低频梳齿的两倍。物理学家借用音乐家的语言，将这样的频率跨度称为一个八度。在实践中，位于一个八度边缘的梳齿将处于或接近频率梳的边缘；如果它们太弱或不稳定，研究人员就需要额外的笨重设备来找到偏移。

团队能够选择两台激光器的频率，从而选择边缘梳齿，这使他们能够确保频率梳跨越一个八度，并且关键边缘梳齿易于使用——从而使搭建实验的过程变得容易和快捷得多。

尽管新方法使用两倍数量的激光器来产生频率梳，但它仍使整体装置比此前尝试更小。其他方法通常无论如何都必须添加第二台激光器，以及大量其他设备，来放大边缘梳齿，使其强到足以用于实验。新方法无需复杂的实验室规模设备，并为易于在实验室外部署的设备提供了一条清晰路径。

全面检验频率梳

在产生纯净频率梳后，团队转向通过执行各种常见测量任务来展示其方法的便利性和多功能性。频率梳使研究人员能够连接两个频率、检测微小的频率波动，并产生频率非常稳定的光，从而实现多种测量技术。

特别是，团队希望展示基于SParCS的频率梳可以充当完美的频率变速箱，作为两个频率之间的连接，使它们锁定在一起，类似于齿轮即使转速不同也能协调旋转。本质上，频率梳不仅能帮助研究人员测量两个频率之间的差异，还能充当一座将间隔锁定到位的桥梁。研究人员可以将激光器锁定到特定梳齿，从而在激光器与频率梳中的其他梳齿之间建立固定关系。这使其他频率的梳齿能够反映该激光器的稳定性，或者反过来说，反映其波动。如果将频率梳锁定到非常稳定的激光器，它就会为其他频率的梳齿提供稳定性；或者，如果所连接的激光器发生波动，你可以在另一个更容易测量的频率上检测到这种波动。

该团队将频率梳与来自不同光源的各种频率的光配合使用，以证明只需简单更换激光器，就能让同一设备执行有助于进行不同类型测量的任务。这些任务利用了合作成员提供的独特硬件和专业知识。

首先，他们使用频率梳将每秒振荡数十亿次的微波与每秒振荡数百万亿次的光波连接起来。这种便携式频率梳可以改进许多设备的频率测量，这些设备测量光频率或利用光测量距离，包括自动驾驶汽车中使用的激光雷达。与频率梳配合的微波使他们能够更好地确定梳齿的频率，这可使频率梳进行精确频率测量或产生稳定的光学频率源。

随后，他们转而关注使用同一设备执行相反过程——将光链接到微波。当频率梳朝这个方向工作时，它还有一个额外优势：会自然降低微波中的随机波动量——即噪声。

他们通过两项任务展示了这一方向的连接，这两项任务是频率梳在不同测量中的用途——监测原子钟中的光，以及产生低噪声微波。

在原子钟中，激光光波充当快速计时节拍。通过让激光与原子行为保持锁定，激光会变得极其稳定；但与原子相互作用的光波振荡得太快，任何电子设备都无法跟踪其波动。频率梳用于将光的稳定性传递给微波信号，该信号承载相同的长期稳定性。随后，原子钟的电子系统可以利用这些微波来跟踪时间。

Moille使用了一个由其AFRL同事提供的称为“稳定原子钟参考”的设备，来展示频率梳在原子钟中这一关键角色上的表现。实验表明，将光与其频率梳配合使用，可以产生运行原子钟所需的稳定微波。他们表明，可以利用这些微波测量原始光频率——该频率每秒振荡数百万亿次——并将其确定到与原子应产生的值相差约每秒十万次振荡的范围内。

产生噪声不大的微波，对原子钟之外的其他测量也很有用。例如，降低微波噪声可以改进雷达系统的距离测量。因此，Moille还换用了一台称为“低噪声激光参考”的激光器，该激光器使用其UCSB同事提供的专用芯片产生。实验表明，将低噪声激光器的光与其频率梳配合使用，可以产生超纯微波频率。

为了评判结果，该团队还将全部三个源——同事提供的两个光源以及微波源——连接到其标准台式频率梳系统上进行比较。他们发现，在实验能够检查的程度上，其小芯片产生了相同的频率，并且在稳定性和噪声方面总体上不逊于其大型前身。

“借助SParCS，我们拥有一个与以往展示的显著不同的频率梳产生过程，而且重要的是要验证：无论频率梳如何产生，它都能很好地执行其基本功能，”Srinivasan说。“我们基本上总是在问，相对于现有技术，我们做得怎么样？我们很高兴地发现，我们的SParCS频率梳确实表现良好。”

SParCS方法不仅不逊于其庞大的前辈；它还使团队能够轻松地让频率梳适应不同应用。Moille在所有演示中都使用了同一设备。这与此前的片上演示形成对比，后者需要为特定应用专门定制微梳。

Moille说，以前用小型频率梳执行其中一项任务，需要由数人组成的团队工作数周或数月才能获得实用结果。相比之下，新实验容易得多，他可以轻松换用合作者提供的不同光源。

“作为实验人员，这种新型光学频率梳简化了我们的许多工作，”Moille说。“该系统让它变得如此简单，以至于实际上每个应用只需要一名操作人员同时进行操作。”

频率梳的适应性还使团队能够补偿差异，从而降低制造频率梳时对精度的要求。这种灵活性可能使频率梳更适合大规模生产并集成到产品中。这种便利还使团队能把更多时间花在执行实验上，而不必从多次制造尝试中筛选出可用器件，然后再花额外时间微调可工作的器件以获得实验结果。

该团队通过使用采用几种不同布局制造的器件进行测量，展示了这种稳健性，并表明只需对实验进行简单调整，他们仍能产生有用结果。展望未来，团队希望进一步改进器件并探索其特性，以了解他们能将性能推进到何种程度，例如制造覆盖更大频率范围的频率梳。最终，他们希望甚至能让该方法在一台激光器同时馈入频率梳两侧的情况下也能奏效。与此同时，他们正在将频率梳用作其他实验中的工具。

“我们的实验室在18个月前，90%的工作都用于典型方法：从中心泵浦，然后向边缘扩展，”Srinivasan说。“我们现在已将所有这类实验转向新的SParCS方法。在过去一年里，我们能够稳定的微梳数量，比之前所有年份加起来的总数还多十倍以上，这就是为什么我们如此强烈地感到，这种方法在未来很有潜力。”