用于高精度测距和光谱学应用的紧凑低噪声双微梳

更锐利的光，用来衡量世界

现代科学和技术越来越依赖对距离和光的颜色（波长）进行极其精确的测量——从为自动驾驶汽车和卫星提供导航，到检测空气中微量气体的痕迹。本文报道了一项在制造微小、低噪声“光学尺子”（称为双微梳）方面的突破，这些器件可装入硬币大小的封装，但性能可与庞大的实验室系统媲美。这类紧凑且超稳定的光源有望把前沿计量和传感技术从专用实验室带入日常设备。

为什么频率梳很重要

光学频率梳是一类特殊激光，其频谱不是连续的，而是形成一系列间隔均匀的“齿”，就像光谱中的精细刻度尺。通过将未知光与这些齿对比，科学家可以极其精确地测量时间、距离和化学指纹。双梳系统使用两个具有略微不同间隔的这样的尺子，当它们组合时会相互拍频，将光学信息转换到电子易于读取的射频范围。难点在于两个梳子必须保持高度同步；任何频率上的摆动或漂移都会迅速破坏测量。传统方案通过复杂的反馈电子和大型光学平台来控制它们，这限制了在实验室外的实用性。

构建微型、低噪声的光学引擎

作者通过重新设计硬件和激光的稳定方式来应对这一挑战。他们将一颗小型半导体激光器和一段短小的特殊光纤——被制成法布里–珀罗谐振腔——集成在只有几厘米宽的蝴蝶形金属外壳内。芯片激光的光在光纤腔内循环，材料的非线性使光被重塑为一列极短的稳定脉冲，形成所谓的克尔频率梳。关键在于，从腔体出来的一部分光被以恰当方式反馈回激光器，实现对腔的“自注入锁定”。这种自注入锁定自动缩窄激光器线宽并抑制许多技术噪声源，而无需外部控制回路。得益于异常大的光引导体积和光纤腔的极高品质因数，基本的量子和热噪声也被压到接近物理极限的水平。

这种新梳有多稳定？

为了验证他们的设计，团队对所产生脉冲的噪声和稳定性进行了详尽表征。他们展示了相位噪声——即连续脉冲定时的抖动——在宽频带内下降到接近量子噪声底的水平，激光线宽从数十千赫缩窄到低于一赫。脉冲列的重复率约为每秒200亿次，并且极为稳定：在数小时内，重复率和整个梳功率仅有微小漂移。对实际应用同样重要的是，该系统呈现出即插即用的行为：只要给激光通电，就能以近乎100%的可靠性再次得到干净、单一的脉冲模式，无需精细手动调节。这些特性使该器件非常适合作为紧凑双梳仪器的模块化构件。

测量距离与分子

手中有两枚相同的紧凑梳模块后，研究者构建了一个自由运行的双梳系统，并对其进行了两项苛刻测试。在飞行时间测距中，一个梳用作参考，另一个对远处目标探测；返回脉冲的微小定时偏移揭示了路径长度。尽管没有主动稳控，系统在单次测量中的距离误差仅约1.6微米——大约为人类头发宽度的百分之一——并且在短时间内可通过平均将误差降低到数十纳米。在第二个实验中，他们让一枚梳穿过装有含碳分子的气体池，并用另一枚梳作为干净的参考。通过比较两者，他们重建了该分子的吸收光谱，发现跨越多条谱线的结果与标准数据库值的一致性优于1%，且无需数字相位校正。

走向日常化的精密工具

总之，这项工作展示了使用一对微小、自我稳定的微梳模块即可在测距和光谱学中达到实验室级精度的可行性。通过在非常小的封装中结合超低噪声、长期稳定性和真正的即插即用操作，该平台消除了长期将双梳技术限制在专用设施中的大部分复杂性。随着这些紧凑光学尺的不断改进并扩展其光谱覆盖，它们可能成为未来精确导航、环境监测、高速通信甚至量子技术系统的基础，将惊人的测量精度带入更为普遍的应用场景。

引用: Chenye Qin, Kunpeng Jia, Zexing Zhao, Yingying Ji, Yongwei Shi, Xiaofan Zhang, Jingru Ji, Xinwei Yi, Haosen Shi, Kai Wang, Xiaoshun Jiang, Biaobing Jin, Shi-ning Zhu, Wei Liang, and Zhenda Xie, "Compact low-noise dual microcombs for high-precision ranging and spectroscopy applications," Optica 12, 1747-1756 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.565936

关键词: 光学频率梳, 双梳测距, 微腔克尔梳, 精密光谱学, 自注入锁定