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什么是光频梳？
光频梳发明于2000年，在光频梳出现以前，对光频进行一次精确测量需要采用大规模的频率链，测量中需要多达10名科学家使用20个不同的振荡器，以及50个反馈环，光频梳出现后用单模锁模激光器取代了这些复杂的实验装置。
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光频梳的新应用
光频梳出现至今，在科学研究中已有广泛的应用，包括从基础物理测试到痕量气体分析，以及从系外行星搜索到超低噪声微波产生等各大领域。但这对于具有巨大应用潜力的光频梳来讲只是九牛一毛。在今年的美国西部光电展上，大约有60场横跨OPTO、LASE、Quantum West和BiOS的演讲表明，这些精密测量工具在当下以及未来都具有广阔的发展前景。
在健康监测方面的应用
基于光频梳在中红外区的分子吸收强于近红外区（约2~3个数量级），来自美国实验天体物理联合研究所（Joint Institute of Laboratory Astrophysics，JILA）的梁启中团队开发了一种中红外光频梳，用于新冠病毒的呼吸检测。他认为，该光频梳在检测人体呼出气体中的能反映健康状况的低浓度分子方面具有独到优势。例如，在呼出气体中检测出甲烷或甲醛浓度的增加，分别对应着人体小肠中微生物群在过度生长，以及与肺癌有关的指标。
梁启中所在的团队由JILA和科罗拉多大学的BioFrontiers研究所、Anschutz医学院共同成立，该团队已经使用此项技术对170名感染SARS-CoV-2病毒的人员进行了呼吸检测，这是光频梳技术首次在医疗领域获批的研究。
测试结果显示，光频梳在区分SARS-CoV-2感染阳性和阴性方面的预测性能非常准确。据介绍，这种呼吸测试是一种非侵入性的测试手段，具有快速的测试周转时间，并且呼吸样本非常容易获得，这有助于缩短测试的延迟。
该研究的顺利进行初步证明了光频梳技术可以应用于非侵入性的医疗诊断，在商业应用方面表现出一定的潜力。
在光学领域的应用
今年西部光电展上，一个研究团队通过使用单共振光参量振荡器（OPO，类似于激光，但有一个非线性光学晶体作为放大器）进行波长转换，成功使光频梳在中红外区域工作，并由一个掺镱飞秒光纤激光器同步泵浦。
来自瑞士苏黎世联邦理工学院的另一个团队，使用类似的技术，在Yb:YAG激光器泵浦腔的支持下，用单一的激光腔建立了双中红外频率梳。该团队的Christopher Phillips解释道，该双光频梳由一对属性相似的光频梳组成，利用两个频率梳之间重复率的微小区别，形成一个逐步增加的延迟，并使得光延迟扫描。
光延迟扫描对于傅里叶变换光谱和脉冲激光实验等技术具有重大意义。在这些实验中，样品被激发，经过可变的时间后，即可测量信号，然而到目前为止，依然无法完美实现以可重复和精确的方式在大范围内扫描延迟时间。Christopher Phillips认为这项工作的亮点是在一个激光腔内产生两个频率梳，既简化了测量系统，又减少了激光腔受外部扰动而产生的噪音影响，可谓是一举两得。值得一提的是，此项技术还有效消除了相对波动。
该技术也可应用在激光测距领域。该团队介绍的激光测距系统是通过将此双梳激光器与光纤设备相结合，用于检测目标反射光。对此，该团队开发了一种技术，同时测量两个光频梳互换的目标，并将其展开，将微米分辨率提高到大约10 m，他们还将继续努力将其提高到大约200 m。
与梁启中所在的团队类似，苏黎世联邦理工学院的研究人员也热衷于将他们的技术商业化。他们已经开发出双光频梳激光器，可在他们认为有商业价值的范围内应用，波长灵活，脉冲重复频率在40 MHz到1 GHz之间。
在量子领域的研究
在2023西部光电展中，并非所有的演讲都集中在商业化的技术上。Yanne Chembo（马里兰大学）就专注于开发Kerr梳。Kerr梳是由超快锁模激光器产生的传统光频梳替代品，它的尺寸接近于纽扣大小，是一种微测量设备，这样的非线性连续波单色激光泵浦谐振器，其内部的非线性Kerr过程可产生多达100种均匀分离的颜色。
Yanne Chembo.来源:Matthew Peach, optics
Kerr梳在芯片级生产简单、结构坚固的高能效光频梳器件，它的这些优势有望在集成光子学、计量学、光通信、航天工程以及量子通信和计算等技术领域取得突破。
但是，目前实现这些应用仍然存在障碍，其一是噪音问题。光频梳对计量学领域意义重大，但噪音会转化为光频梳信号。Chembo表示，噪音对于光频梳的影响不可避免，而且谐振器在环境温度下会产生热波动。他一直致力于研究Kerr梳的噪音水平、噪音传播以及如何减轻和减少其影响。
其二是与Kerr梳的量子特性有关。Kerr梳最吸引人的特性之一是产生纠缠状态的光子。纠缠的光子有望在量子通信和计算中发挥关键作用，能够用低功率的芯片级设备产生纠缠光子对，这是量子科学家和技术公司的福音。但要达到这个目的，首先需要进行大量严谨的基础研究，也就是要集中于寻找合适的数学形式以分析和理解Kerr梳的量子纠缠。
自20世纪末以来，光学频率梳技术的发展和其广泛应用已经彻底改变了物理学的许多领域。精密光谱学、时间和长度计量学、天文光谱、高精度时频基准和传递、光钟计时和比对、分子指纹学和超低相位噪声微波只是其中几个常用的应用实例。作为现今能够直接连接光频和无线电射频的设备，光学频率梳不仅仅应用于量子光学实验室，亦成为在与光学频率相关的几乎所有领域中不可替代的工具。
未来，随着光频梳技术的发展，双光梳将成为一种便捷的光学测量工具，并有望代替传统测距工具在科学研究和工业界中广泛应用。
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