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微小的频率梳是可靠的测量工具

美国国家标准与技术研究院(NIST)和合作伙伴的科学家们展示了可以缩小许多测量技术的先进技术,他们展示了第一批能够产生所需频率或颜色的微型设备,其精确度可以追溯到国际测量标准。

微小的频率梳是可靠的测量工具

研究人员将一对频率梳,一个可调谐的迷你激光器和电子设备组合在一起,创建了一个光学频率合成器。该先进技术将光学频率从桌面级仪器编程到三个硅芯片,同时保持高精度和高精度。

正如无线电和微波芯片为电子革命提供动力一样,光频率合成器的小型化使其便携并适合大批量制造,这将推动诸如计时,通信,痕量气体监测和天文学等领域。

原型合成器在4月25日在线发表的一篇论文“ 自然 ”杂志上有所描述。频率梳是NIST开发的一种诺贝尔奖,它对最新的实验原子钟至关重要。

“没有人知道如何使用小芯片制造光频合成器,”NIST的合着者Scott Papp说。“这是第一个突破,表明你可以做到这一点。到目前为止,还没有人使用芯片级频率梳进行完全可追溯到国际标准的计量。”

该项目由位于科罗拉多州博尔德的NIST物理学家领导,其中一个梳状芯片由加州理工学院(加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院)制造,第二个梳状芯片由NIST的纳米科学与技术中心(位于马里兰州盖瑟斯堡)制造。 。加州大学圣塔芭芭拉分校开发了一种可编程半导体激光器芯片。

三个芯片中的每一个约为5毫米×10毫米。Papp表示,随着材料和制造的进一步发展,这些芯片可能会被NIST的合作机构之一包装在一起。

在全尺寸桌面频率梳子中 - 通常由金属和玻璃组件手工组装 - 激光在光学腔内循环,一组专用镜子,产生一组看起来像发梳的等间距线。每个“牙齿”是一种单独的颜色。在基于芯片的版本中,腔体是扁平的圆形赛道,使用类似于制造计算机芯片的自动化技术在硅上制造。

新型光学合成器仅使用250毫瓦(千瓦时)的片上光功率 - 远低于传统的全尺寸频率梳。

合成器输出是可编程激光器,其光波振荡用作可追溯到SI秒的光学时钟滴答,SI秒是基于铯原子的微波振动的国际时间标准。输出激光由两个频率梳引导,这两个频率梳提供微波和光频之间的同步链路。

每个梳子都是由单独的单色“泵”激光器发出的光产生的。NIST梳子的直径为40微米(百万分之一米)。这种梳子在牙齿之间有很宽的间距,但是可以通过跨越八度音来校准自己 - 就像在音乐中一样,它指的是两个音符之间的间隔,它是彼此频率的一半或两倍。此功能可校准合成器。

赛道是由氮化硅制成的定制波导,它提供特殊的特性,可以扩大光谱范围,将光线集中在一个小区域以提高强度,可以通过几何形状的变化进行调整,并且可以通过光刻制作成计算机芯片技术。

Caltech梳子体积更大,宽约100倍,由熔融石英制成。但是这种梳子的牙齿更精细,并且跨越更窄的波长范围 - 用于电信的1550纳米波段,是合成器演示的焦点。齿之间的间隔是微波频率,其可以相对于SI秒测量和控制。通过数字数学转换过程,这种细齿梳在校准的NIST梳的较宽间距内识别稳定,准确的光频率。

因此,两个梳子用作倍频器,以将时钟节拍从微波转换到光域,同时保持精度和稳定性。

研究小组通过合成电信频段中的一系列光频率来演示该系统,并通过从同一时钟得到的单独频率梳来表征性能。研究人员演示了系统架构,验证了频率合成的准确性,并确认合成器在时钟和梳状输出之间提供稳定的同步。

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