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NIST团队证明了微型频率梳是可靠的测量工具

时间:2021-01-05 来源:计量校准点击:次

NIST团队证明了微型频率梳是可靠的测量工具

　　国家标准与技术研究所(NIST)在许多测量技术的小型化方面处于领先地位。NIST科学家和他们的合作伙伴展示了第一台能够产生所需频率或颜色的小型化设备，这种设备的精度可以追溯到国际测量标准。

　　研究人员将一对频率梳、一个可调谐微型激光器和电子设备结合起来，制成了一个光学频率合成器。这项先进的技术将光频的编程能力从台式仪器转移到三个硅片上，同时保持高精度和精确度。

　　就像无线电和微波芯片推动了电子革命一样，光学频率合成器的小型化使其便于携带，适合大规模生产，这将推动计时、通信、痕量气体监测和天文学的发展。

　　这个原型合成器的论文已经在《自然》杂志上发表了。频率梳是NIST开发的诺贝尔奖-winning技术，对于最新的实验原子钟非常重要。

　　“在此之前，没有人知道如何用小芯片制作光学频率合成器，”来自NIST的合著者斯科特帕普说。“这是证明你能做到的第一个突破。迄今为止，还没有人使用芯片级频率梳进行可追溯到国际标准的测量。”

　　NIST光学频率合成器的视频演示清楚地显示了NIST的标志。每个圆是一个特定的频率测量。该视频展示了控制激光输出以快速准确地产生所需频率(垂直轴)的能力。横轴表示实际测量时间。这个标志写了大概4分钟，但是这里的过程压缩到10秒。

　　该项目由科罗拉多州博尔德，的NIST物理学家领导。一个梳状芯片由加州理工学院(加利福尼亚州帕萨迪纳)制造，第二个梳状芯片由NIST纳米科技中心(马里兰州盖瑟斯堡)制造。加州大学圣巴巴拉分校开发了一种可编程半导体激光芯片。

　　这三个芯片每个都是5mm 10mm左右。帕普说，随着材料和制造技术的进一步发展，这些芯片可能会由NIST的一个合作组织封装在一起。

　　在全尺寸台式频率梳(通常由金属和玻璃零件手工组装)上，激光在光学腔(即一组特殊的镜子)中循环，产生一组等间距的线条，看起来像梳子，其中每个“齿”都是单独的颜色。在基于芯片的版本中，这个光学腔是一个平坦的圆形跑道，它是使用类似于计算机芯片制造的自动化技术在硅上制造的。

　　这种新的光学合成器仅使用250毫瓦的片内光功率，远低于经典的全尺寸频率梳。

　　合成器的输出是一个可编程激光器，它的光学振荡被记录为一个光学时钟滴答，可以追溯到基于铯原子微波振动的国际时间标准——SI(国际单位制)秒。输出激光由两个频率梳引导，提供微波和光学频率之间的同步连接。

　　每个梳子都是由单个单色“泵”激光产生的。NIST梳子的直径为40微米。这个梳子的齿缝很宽，但是可以通过交叉八度进行自校准。在音乐中，八度——指的是两个音符之间的间隙，它们的频率是彼此的一半或两倍。该功能校准合成器。

　　跑道是一种由氮化硅制成的定制波导，具有特殊的性能，可以放大谱线，将光集中在小区域以增强强度，可以通过改变几何形状进行调整，也可以像计算机芯片一样通过光刻技术制造。

　　加州理工学院的梳子实际上更大，大约100倍宽，由熔化的应时制成。然而，这种梳子的齿要薄得多，波长范围也窄得多。——在1550 nm波段用于电信，这是合成器演示的重点。梳齿之间的间隔是一个微波频率，可以相对于国际单位制秒进行测量和控制。通过数字数学转换过程，细齿梳可以在校准后的NIST梳更宽的距离内识别稳定、准确的光频。

　　所以这两个梳起到倍频器的作用，将时钟滴答记录从微波转换到光场，同时保持精度和稳定性。

　　计量校准研究小组验证了该系统，合成了电信频段的一系列光频，并使用同一时钟的独立频率梳来表征性能。研究人员演示了系统架构，验证了频率合成的准确性，并确认合成器提供了时钟和梳状输出之间的稳定同步。

　　这项研究部分由国防高级研究计划局资助。这项研究也是片上NIST的广泛工作的一部分，旨在使NIST测量和标准所需的仪器更便携、更经济、更适合大规模生产。