2005年诺贝尔物理学奖与光学频率梳
2005年诺贝尔物理奖得主---
2005年諾貝爾物理獎得主--- 漢希(T.W. Hänsch )與霍爾(J.L. Hall )文/鄭王曜、施宙聰2005年是愛因斯坦發表狹義相對論以及光電效應和布朗運動理論的100週年，為了推動物理教學與研究，聯合國特別將2005年定為世界物理年。
愛因斯坦假設光速在慣性座標中為恆定，透過此絕對的基本物理量建立了狹義相對論和質能關係，此外他提出光量子成功解釋光電效應。
非常恰巧的，2005年10月發佈的諾貝爾物理獎得主漢希（Theodor W. Hänsch ）、霍爾（John L. Hall ）與葛勞柏（Roy J. Glauber ）的貢獻跟光速及光的量子性質有密切的關係。
漢希及霍爾兩人因在精密雷射光譜，包括光頻梳（optical frequency comb ）技術的發展而獲此殊榮。
霍爾是美國JILA （Joint Institute of Laboratory of Astrophysics ）的資深研究員，是雷射穩頻高手。
漢希是德國慕尼黑大學教授及普朗克量子光學研究所主任，是氫原子1S-2S 光譜高手。
他們兩人是好朋友，都熱愛實驗。
到JILA 拜訪霍爾，通常要在地下室的實驗室才能找到他。
漢希在慕尼黑大學物理系辦公室對面有一個人實驗室，他常在那裡做一些有趣的實驗，霍爾來訪時也會邀他一起做實驗。
在這篇文章我們將簡介漢希與霍爾的學術工作及光頻梳。
雷射穩頻雷射的本徵線寬（intrinsic linewidth ）由Schawlow-Townes relation 所限制，除了半導體雷射因其微小共振腔內光子數目不多線寬大外，大部分雷射的本徵線寬小於1 Hz 。
如1 mW 的紅光633 nm HeNe 雷射，其Schawlow-Townes 線寬小於1 mHz 。
然而由於各種不同的技術性噪音（technical noise ），例如雷射結構的振動、折射率的擾動等，實際的雷射系統離Schawlow-Townes 線寬有一段不算小的距離。
诺贝尔物理学奖2005,2012
2005年诺贝尔物理学奖：精密频率测量技术(2012-10-15 21:33:55)转载▼标签：分类：科学技术教育频率一直是电磁波最重要的参数之一，电磁波在根据频率由小到大分为了无线电波，微波，红外线，可见光，紫外线，X射线和г射线。
每一个频段的电磁波的研究都对人类科技发展起着至关重要的作用，电磁波的频率所对应的时间也成为了人类计量的最新标准。
人类对电磁波频率的精密测量源自20世纪50年代的微波频率测量，那个时候随着原子能级结构的深入研究，以及不久后微波激射器（Maser）的出现，人们能够获得频率分布很窄的微波辐射。
美国物理学家拉姆齐（N. F. Ramsey）在1950年提出分离了振荡场方法，解决了原子钟设计里的关键问题，创制了铯原子钟。
1960年他又提出并建造了氢微波激射器，也就是氢原子钟，使计时的不确定度下降到10-12。
拉姆齐因此获得了1989年诺贝尔物理学奖。
20世纪60年代激光器横空出世，人类又可以获得频率分布很窄的可见光辐射（单色光），随后美国的霍尔（John L. Hall）和德国的汉施（T. W. Hansch）各自发明了“光梳”技术，从而可以精确测量激光频率。
二人也因此获得2005年诺贝尔物理学奖。
两次诺贝尔奖，三位伟大的实验物理学家，电磁波频率精密测量成了实验物理学一个重要的组成部分。
它决定着人类能够测量的时间与空间精度，决定着人类科技的发展水平。
一、拉姆齐与微波频率精确测量拉姆齐的导师拉比（I. I. Rabi，1944年诺贝尔物理学奖）用量子力学的含时薛定谔方程计算二能级与光场相互作用，得到了二能级原子跃迁的动力学过程，在频谱上显示为拉比振荡。
取拉比频率与相互作用时间乘积为π，拉比振荡谱线的峰值便和光场频率精密对应。
原子与微波谐振腔相互作用时，谐振腔的尺度和形状受微波的频率、场分布均匀性的要求限制，而且原子的速度又无法任意控制，这就决定了不可能通过提高微波与原子的作用时间降低谱线宽度。
诺贝尔物理学奖大全1901至2005
1903 贝克勒耳
法 1896年发现天然放
(A.H.Becquerel)
射性
(P皮. C埃ur尔i•e居) 里
法 对天然放射性现象 的研究
居里夫人 (M.S.Curie)
法籍 同上(夫妇共同) (波)
3
时间 获奖者
国籍 研究成果
1904 瑞利
英 气体密度的研究以
(J.Rayleigh)
及与此有关的氩的
国籍 研究成果
1969盖尔曼 (M.Gell-Mann)
美 基本粒子分类和相 互作用,1964年提出 夸克模型
1970阿尔芬 (H.O.G.Alfvé n)
瑞典 等离子体物理和磁 流体动力学的基本 研究和发现
尼尔(L.E.F.Né el) 法
反铁磁性和铁氧体 磁性的基本研究和
发现
37
时间 获奖者 1971 伽伯(D.Gabor)
现π介子
用人工加速粒子进行 核蜕变工作
同上
24
时间 获奖者
国籍 研究成果
1952 布洛赫(F.bloch) 美
珀塞尔
美
(E.M.Purcell)
1953 泽尼克
荷
(F.Zernicke)
在核磁共振精密 测量方法上的发 展及有关发现 同上
发现相差衬托法 并发明相衬显微 镜
25
时间 获奖者
国籍 研究成果
è)
(意) 子
张伯伦
美 同上
(O.Chamberlain)
1960 格拉泽 (D.A.Glaser)
美 发明气泡室
31
时间 获奖者
国籍 研究成果
1961 霍夫斯塔特
美
(R.Hofstadter)
OFC光学检测原理
OFC光学检测原理光学频率梳（OFC）是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。
随着光通信技术的飞速发展，OFC由于其在光学任意波形产生、多波长超短脉冲产生和密集波分复用等领域的广泛应用吸引了越来越多学者的关注。
光学频率梳已经成为继超短脉冲激光问世之后激光技术领域又一重大突破。
在该领域内，开展开创性工作的两位科学家J. Hall和T. W. H?nsch 于2005年获得了诺贝尔奖。
原理上，光学频率梳在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列，在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络，其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡慢变包络的时间宽度满足傅里叶变换关系。
超短脉冲的这种在时域和频域上的分布特性就好似我们日常所用的梳子，形象化地称之光学波段的频率梳，简称"光梳"。
光梳相当于一个光学频率综合发生器，是迄今为止最有效地进行绝对光学频率测量的工具，可将铯原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中。
获得光梳的关键首先是实现稳定的超短脉冲输出，其次是实现对该超短脉冲序列在时域及频域的精密控制，即对超短脉冲的载波包络相位和激光脉冲重复频率的控制。
早期的光梳光源都是基于传统的钛宝石飞秒激光器构建而成。
美国天体物理联合实验室J. Hall教授等人首次利用自参考f-2f技术实现了载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，这标志着飞秒光学频率梳的诞生。
光纤激光器具有优异的稳定性、结构紧凑、价格合理，且易于维护，解决了超短脉冲在用户层面的窘境。
光纤激光器作为第三代激光技术的代表，在科学研究及工业加工等应用领域具有诸多明显优势：光纤波导制造成本低；光纤的柔性及可缠绕性有利于实现激光器的小型化和模块化；光纤无需激光晶体那样严格的模式匹配或相位匹配；光纤激光器内部仅有较少或者几乎没有光学镜片，稳定性极佳；光纤激光器全封闭的光路结构能胜任恶劣的工作环境，对冲击震荡、湿度温度、灰尘颗粒具有较高的容忍度；此外，光纤激光器具有较高的电光效率，电光效率可达20%以上，显著节约了激光器的运行成本。
光频梳简介
3
“For their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique”
二.光频梳的结构和工作原理
Ⅰ.光频梳的结构
光学频率梳由“锁模激光器”产生，是一种超短脉冲激光。 超短光脉冲的载波由单一频率的光构成，这种光会在光谱上该频 率显示为一条竖线，表示只存在该频率的光波。在这里，锁模激 光器发射的光脉冲的两个特征成为了研制光学频率梳的关键。第 一个特征是，包络相对于载波发生微小位移，导致脉冲发生细微 变化。脉冲包络的峰值，可以和对应的载波波峰同时出现，也可 以偏移到载波的波峰同时出现，该偏移量被称为脉冲位相。第二 个特征，锁模激光器以重复频率发射脉冲序列。这种脉冲序列光 的频谱不是以载波频率为中心向两边连续延展，而是形成许多离 散的频率。这个频谱分布很像梳齿，彼此间隔与激光器的重复频 率精确相等。但在通常情况下，前后两个脉冲的位相会发生一些 不可预知但却固定不变的偏移，这时，梳齿的频率会偏离重复频 率的整数倍，出现零点漂移，使得梳齿频率不可确定。随着钛
• 激光雷达 激光雷达用激光来测定远距离目标 的位置、速度和性质。用光学频率梳产生的特定 波形的激光，有望将雷达的灵敏度和探测范围提 高几个数量级。
Some OFC Researches
Attosecond pulse formation 孔庆昌(中研院原分所)、潘犀灵(清华大学) Direct OFC spectroscopy 郑王曜(中研院原分所) Precision spectroscopy using OFC 崔祥辰、蔡锦俊(成功大学) NIST（美国国家标准技术研究所）
2005诺贝尔奖解读
2005诺贝尔奖解读icybird 发表于 2005-10-20 20:37:172005年诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖10月间陆续揭晓，这些获奖成果和获奖者再次吸引了全球的目光，他们做了什么？他们所做的对人类将产生哪些影响？专家的点评帮我们找到这些问题的答案。
诺贝尔物理学奖——描述了自然界光的本性“尽管今年的诺贝尔物理学奖分别授予了三位科学家的两项科研成果，但实际上这两项成果结合得非常紧密，他们描述了自然界光的本性。
”在点评今年诺贝尔物理学奖得主的主要获奖成果时，中国科学院理论物理所孙昌璞研究员说。
10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将今年的诺贝尔物理学奖授予美国和德国的三位科学家。
其中，美国科学家约翰·霍尔和德国科学家特奥多尔·亨施对基于激光的精密光谱学发展作出了贡献；另一名美国科学家罗伊·格劳伯则“对光学相干的量子理论作出重大贡献”。
孙昌璞介绍说，上世纪60年代开始，激光技术取得了长足的发展，但是在对光本身特性的描述上则遇到了一些困难。
格劳伯在当时提出了“相干性的量子理论”，不仅解决了一些基础性的问题，而且奠定了量子光学的基础，开创了一门全新的学科，“他获得诺贝尔奖，是学术界许多人期待已久的事情”。
“霍尔与亨施的研究，主要结合了原子物理和量子光学，在精确测量方面作出了杰出的贡献。
”孙昌璞具体解释说，对时间的精确测量主要依靠原子跃迁的频率，但在原子运动的状态下，测量不太精确。
而利用激光技术将原子冷却后使之速度降低，就可以作出精确测量，“他们主要在精确测量的技术上取得了较好的成果”。
这三位科学家以及其同事们的研究尽管“生涩难懂”，但却已经在诸多领域获得了广泛应用，在一些方面已经惠及普通人，与我们的生活息息相关，如精确激光技术、日渐普及的全球定位系统技术等。
孙昌璞说：“我认为，诺贝尔物理学奖在近年来较多地关注光学领域的研究成果，一方面是因为该领域的研究成果往往与最先进、最新的技术发展联系紧密；另一方面，这些高新技术的发展，恰恰又需要在非常基础的理论研究方面下功夫。
【历届诺贝尔奖得主(十一)】2005年物理学奖
2005年12月10日第一百零五届诺贝尔奖颁发物理学奖2005年：罗伊·格劳伯（美国）表彰他对光学相干的量子理论的贡献；约翰·霍尔（JohnL.Hall，美国）和特奥多尔·亨施（德国）表彰他们对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献。
罗伊·格劳伯哈佛大学物理学教授。
他因“对光学相干的量子理论的贡献”而获得一半的2005年诺贝尔物理学奖，另一半由美国科罗拉多大学的约翰·霍尔和德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学特奥多尔·亨施分享。
基本简介罗伊·格劳伯诺贝尔物理学奖（2005年）罗伊·格劳伯（英语：RoyJ.Glauber，1925年9月1日－），哈佛大学物理学教授。
他因“对光学相干的量子理论的贡献”而获得一半的2005年诺贝尔物理学奖。
另一半由美国科罗拉多大学的约翰·霍尔和德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学特奥多尔·亨施分享。
他的研究发表于1963年，罗伊·格劳伯对于物理学最突出的贡献是提出了相干态的概念和其后的数学基础。
他亦是搞笑诺贝尔奖颁奖典礼的扫帚保管员，总是负责清扫台上的纸飞机。
他的研究发表于1963年，罗伊·格劳伯对于物理学最突出的贡献是提出了相干态的概念和其后的数学基础。
科研成果美国科学家罗伊-格劳伯最终使得量子光学成为一门学科的，很大程度上要归功于另一位物理学家——罗伊·格劳伯，哈佛大学物理学教授。
上世纪60年代开始，激光技术取得了长足的发展，但是在对光本身特性的描述上则遇到了一些困难。
格劳贝尔就认为量子化的电磁场并不能代表光的一切性质，大量光子的集体行为于普通光子有很大的区别，应该更好地发展量子理论来探索光的本质，从而开创了建立量子光学的里程碑式的研究工作。
1963年格劳贝尔就通过自己工作成功地应用量子理论来解释了一些光学现象，他在《物理评论通信》上发表了研究论文，此后又在《物理评论》等杂志上发表了几篇相关论文，创造性的提出了“光子的相干性量子理论”。
诺贝尔物理学奖中的光
诺贝尔物理学奖中的光作者：来源：《中学科技》2018年第11期2018年的诺贝尔物理学奖授予了美国、法国和加拿大的3位科学家，以表彰他们在激光物理学领域的突破性贡献。
又一次，光学研究领域中的科学家获得了诺贝尔奖的青睐。
20世纪初，诺贝尔奖刚刚设立，第一个诺贝尔物理学奖就是颁给发现X射线的伦琴。
到目前为止，已颁发的诺贝尔物理学奖中，与光学直接或是间接相关的就多达四十几个，这些物理学奖恰好也按时间顺序展示了人类在光学领域研究的成果，展示了人类从认识光到用光打开了新世界大门的光辉历程。
光学频率梳把光制成一把精密的梳子2005年诺贝尔物理学奖表彰的一个主要成就是光学频率梳。
光学频率梳又称光梳，它拥有一系列频率均匀分布的频谱，这些频谱仿佛一把梳子上的齿或一根尺子上的刻度，可以用来测定未知频谱的具体频率。
它既能精确地测量光学频率，又能提供长度的标准，因而又被称为“光尺”。
我们知道，时间是一个基本的计量单位，日常生活中每个人都会不可避免地与其打交道。
一开始，人们仅使用水钟或者沙漏进行简单的计时，后来由于航海活动的需要，人们才对计时精度的重要性有了初步的认识。
随着现代科学的兴起和发展，时间的精密计量也被赋予更高的科学价值。
一方面新的技术被用于高精度的时间计量，另一方面精确的时间计量对基础科学的发展起着重要的推动作用。
在1967年的第13届国际计量大会上，人们将时间单位“秒”定义为“铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9 192 631 770个周期的持续时间”，这一定义下的时间精度达到了10-15的量级。
但科学研究不断发展，对时间计量的精度又提出了更高的要求。
由于时间周期与频率互为倒数关系，为了进一步提高其精度，人们就想到用频率更高的光波替代微波。
光梳技术的出现，让时间精度提高到了10-18的量级。
除了提高时间计量的精度，光梳技术还大大提高了GPS、深空導航、基本物理常数测量等的精度，并且已经在为人类探索宇宙而服务了。
光频梳技术
（3）自参考偏差频率量测示意图
三.几种常见的光频梳
二.光频梳的结构和工作原理
Ⅰ.光频梳的结构
光学频率梳由“锁模激光器”产生，是一种超短脉冲激光。 超短光脉冲的载波由单一频率的光构成，这种光会在光谱上该频 率显示为一条竖线，表示只存在该频率的光波。在这里，锁模激 光器发射的光脉冲的两个特征成为了研制光学频率梳的关键。第 一个特征是，包络相对于载波发生微小位移，导致脉冲发生细微 变化。脉冲包络的峰值，可以和对应的载波波峰同时出现，也可 以偏移到载波的波峰同时出现，该偏移量被称为脉冲位相。第二 个特征，锁模激光器以重复频率发射脉冲序列。这种脉冲序列光 的频谱不是以载波频率为中心向两边连续延展，而是形成许多离 散的频率。这个频谱分布很像梳齿，彼此间隔与激光器的重复频 率精确相等。但在通常情况下，前后两个脉冲的位相会发生一些 不可预知但却固定不变的偏移，这时，梳齿的频率会偏离重复频 率的整数倍，出现零点漂移，使得梳齿频率不可确定。随着钛
f beat为fu和第n根光梳齿的拍频，其必小于frep 。
2.脉冲重复率和偏差频率
飞秒锁模激光器的锁模雷射在时域中的表现 为周期为1∕ frep的光脉冲序列，如图（1）所示， 实线表光脉冲序列的载波，而虚线表周期性脉冲 的波包，ΔФ为脉冲波包与载波绕行共振腔一次 所产生的相位差，其成因为色散造成载波相速度 和群速度的不一致。
宝石激光器的出现，德国马普量子光学研究所 的Theodor. W. Hansch 利用新型激光器证明了 输出光梳输出光谱两端的光梳谱线具有确切的 对应关系，使得光梳频梳
光频梳系统为频域上产生等间隔光频齿（ comb line）,其每一根光频齿的频率如下式表示 ： 其中， frep为锁模激光器激光脉冲的重复频率， 而δ为偏差频率，n为整数。光频梳最大的功能在 于可将难以精确测量的未知光频fu以下式表示：
2005年诺贝尔物理学奖
2005年诺贝尔物理学奖2005年物理学奖，由三位物理学家获得，他们是美国的罗伊·格劳伯（Roy J.Glauber）（获得奖金的一半）、约翰·霍尔（ohn L.Hall）和德国的特奥多尔·汉施（Theodor W.Haensch）（分享另一半奖金）。
格劳伯对光学相干的量子理论做出了贡献。
霍尔和汉施对基于激光的精密光谱学发展作出了贡献。
罗伊·杰伊·格劳伯（Roy Jay Glauber，1925—2018），出生于美国纽约市。
12岁时制作了和房间差不多高的望远镜。
14岁时“发明”了“分光镜”。
16岁进入哈佛大学学习。
当时，由于二战影响，大量教授需要参与和战争相关的秘密项目，迫使他在进校之初就修完了所有著名教授讲授的物理学课程。
在大学二年级时他被招募到洛斯阿拉莫斯实验室参与曼哈顿计划，年仅18岁，是当时参与的科学家中最年轻的一位。
战后返回大学，开始了自己真正的纯粹的学术研究道路。
1946年和1949年获得哈佛大学的硕士和博士学位。
约翰·刘易斯·霍尔（Jhon Lewis Hall，1934—），从卡内基技术大学共获得三个学位，分别是理学学士（1956年）、理学硕士（1956年）和哲学博士（1961年）。
他在国家标准与技术局完成了博士后研究，1962年—1971年，霍尔一直在此工作。
自1967年起霍尔开始在科罗拉多大学任教，是JILA中第三个获得诺贝尔物理学奖的科学家。
特奥多尔·汉施（Theodor W.Haensch,1941—）,出生于德国海德堡。
在海德堡的卢佩莱希特卡尔大学攻读光学专业。
1从1970年起，他一直在美国斯坦福大学从事研究与学习。
1986年，他返回德国伽钦，被任命为马普量子光学研究所所长。
从20世纪60年代开始，激光技术取得了长足的发展，但是在对光本身特性的描述上则遇到了一些困难。
格劳伯认为量子化的电磁场并不能代表光的一切性质，大量光子的集体行为于普通光子有很大的区别，应该更好地发展量子理论来探索光的本质，从而开创了建立量子光学的里程碑式的研究工作。
量子光学之父和精密光谱学大师——2005年诺贝尔物理学奖
量子光学之父和精密光谱学大师——2005年诺贝尔物理学奖2005年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2005年度诺贝尔物理学奖的一半奖金授予美国量子光学家罗伊·格劳伯，以表彰他对光学相干的量子理论做出的贡献；另一半奖金则颁发给美国量子激光学家约翰·霍尔和德国量子光学家特奥多尔·亨施，以表彰他们对基于激光的精密光谱学发展做出的贡献。
罗伊·格劳伯1925年出生于纽约，毕业于美国哈佛大学，1949年获得哈佛大学博士学位，1952年成为哈佛大学助理教授，1956年获得哈佛大学终身教授之职，现仍供职于哈佛母校。
他成为第42个荣获诺贝尔奖的哈佛大学教授。
约翰·霍尔1934年出生于美国丹佛，1961年获卡内基理工学院博士学位，1964年获匹兹堡剑桥技术学院物理学博士学位，现供职于科罗拉多大学，同时兼任美国国家标准和技术研究院高级科学家。
特奥多尔·亨施1941年出生于德国海德堡，1969年获海德堡大学博士学位，目前担任德国马克斯－普朗克学会下属的量子光学研究所所长，同时担任慕尼黑路德维希－马克西米利安大学物理学教授。
光是什么？—光的量子性人类自诞生之日起，就对自身赖以生存的神秘的光产生了浓厚的兴趣。
它的本质是什么？究竟是粒子还是波？18世纪中叶，牛顿认为，光是由很小的物质微粒组成，从发光体发出，犹如一群飞行的子弹，从而建立了光的微粒说。
19世纪中叶，波更斯和菲涅尔等人通过对光的反射、折射、干涉和衍射的广泛研究，认定光是一种波。
之后，麦克斯韦提出了电磁波的理论，认为光本身就是一定波长范围的电磁波。
光就是电磁波，光的量子性，确切地讲应该是电磁场的量子性，这就是量子力学研究的范畴。
德国人普朗克在1900年提出量子假说，并于1906年建立经典量子论的理论基础，即能量只能取某一基本量（即能量子或作用量子）的整倍数，这一作用量子也称普朗克常数（h），是微观世界的基本标志。
2005年诺贝尔物理学奖与光学频率梳
个坐标的纵模 ,其绝对频率可以表示为
f ( n) = nF +δ,
(1)
如图 1所示 ,这里 n是整数 ,δ是该纵模偏离对应坐
标的频率偏差 ,并有 δ < F. 由于激光脉冲的重复
频率 F通常在 100MHz左右 ,正好属于微波频率的
范围 ,因此如果将 F及 δ分别锁定到目前的微波原
·213·
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评 述
们将时间单位“秒 ”定义为“铯 - 133 原子基态的两 个超精细能级之间跃迁所对应辐射的 9 192 631 770 个周期的持续时间 ”[ 1 ] ,并一直沿用至今. 这一定义 下的时间精度达到了 10 - 15的量级 ,也是目前所有物 理量中最精确的基本单位. 由于时间与频率互为倒 数关系 ,因此在涉及频率的大量科学研究和技术应 用领域 ,如超精细光谱学 、全球定位系统 ( GPS) 、空 天飞行 、精密制导 、无线通讯等方面 ,高精度的频率 时间基准起着核心作用. 可以说以微波原子钟为基 础的时间频率标准 ,构成了现代科学技术大厦的基 石 ,而科学技术研究的不断发展 ,对时间频率的基准 又提出了更高的要求. 为了进一步提高其精度 ,早在 激光诞生后不久 ,人们就想到采用光学频率代替微 波钟作为新的时间基准的可能性 ,从原理上讲 ,由于 光频的频率在数百 THz量级 ,比 GHz的微波频率高 多个量级 ,因此原理上采用光钟可望得到优于 10 - 18 的准确性 ,这无疑会大大提高 GPS、深空导航 、基本 物理常数测量等内容的精度. 但一个巨大的障碍是 如何高精度地实现微波频率与光学频率的连接 ,多 年来一直是制约该项研究的主要瓶颈.
光梳技术——2005年诺贝尔物理学奖以及NIST的科学家叶军
光梳技术——2005年诺贝尔物理学奖以及NIST的科学家叶军2005年诺贝尔物理学奖闪烁中国科学家光芒对美国科罗拉多⼤学物理学副教授叶军来说，2005年10⽉4⽇是异常忙碌的⼀天。
当地时间凌晨4时，他在科罗拉多的家中被⼀个来⾃欧洲的电话吵醒，朋友告诉他说：“约翰获得了诺贝尔奖。
”叶军⽴即起床，驾车到霍尔的家中向他表⽰祝贺。
就在这⼀天，叶军收到了许多来⾃世界各地的同事和朋友的电⼦邮件，祝贺他主持的光梳技术研究⼯作成为诺贝尔奖的重要部分。
叶军说：“我当然⼗分骄傲⾃⼰能成为此项成就中的⼀部分。
”叶军1967年11⽉出⽣在中国上海，1989年在上海交通⼤学获得应⽤物理学学⼠学位，1991年在美国新墨西哥⼤学获得物理学硕⼠学位，1997年在科罗拉多⼤学获得物理学博⼠学位，导师正是约翰·霍尔。
他后来在加州理⼯学院从事博⼠后研究。
他⽬前是美国天体物理联合实验室（JILA）研究员、美国国家标准和技术研究院院⼠、美国科罗拉多⼤学物理系副教授。
今年，三位研究光的⾏为和使⽤光的科学家分享了诺贝尔物理学奖，其中，汉斯在20世纪70年代末⾸次提出了精确测量光学频率的光梳技术概念和⽅法；⼤约在5年前，霍尔和他的合作者解决了实现光梳技术的最关键的实验难题，叶军就是在这⼀⼯作中起到关键作⽤的合作者。
2004年10⽉21⽇⾄27⽇，在昆明丽江召开的“第12届全国激光物理研讨会”上，叶军作了光梳技术和激光物理的相关报告，当时在场的美国科学院院⼠、加州⼤学伯克利分校的沈元壤教授和中国物理学会理事长杨国桢院⼠⾼度评价了叶军的⼯作。
沈元壤说：“光梳技术的突破是⼀个诺贝尔奖级的⼯作，叶军是⾮常优秀的世界级物理学家，是该领域最前沿的领军⼈物。
”杨国桢说：“叶军是真正世界最顶尖的科学家。
国家应该将这样的⼈请回来。
”记者当时为此专访了叶军。
作为⼀名实验物理学家，他研究的正是物理中最重要的两个基本问题——时间和空间的测量。
叶军领导的⼩组掌握了⾼精度的光梳制作⽅法，通过巧妙的实验技巧可以精确地测量光脉冲的频率，使其频率误差可以控制在10的－15次⽅量级，这使得⾼精度的时间测量成为可能。
2005年诺贝尔物理学奖与光学频率梳
2005年诺贝尔物理学奖与光学频率梳 3
魏 志 义
(北京凝聚态物理国家实验室 中国科学院物理研究所光物理实验室 北京 100080)
摘 要 光学频率梳是 2005年诺贝尔物理学奖的重要内容 ,本文结合时间频率标准的发展历史 ,简要介绍了飞秒 频率梳的基本原理 、发明背景 、科学意义及研究趋势. 最后通过对该项发明的思考 ,浅谈了一点对科学研究方法的不 成熟认识. 关键词 2005年度诺贝尔物理学奖 ,光学频率梳 ,飞秒激光脉冲
Abstract The development of op tical frequency comb technique greatly pushed the revolutionary p rogress in laser - based p recision spectroscopy, which shared the 2005 Nobel p rize in physics. Following the history of time - frequency standard, the basic p ricinp le and background of op tical frequency comb techniques are re2 viewed in this paper, the app lications and the latest research activities are also briefly introduced. Finally, based on the analysis on the inventive work, I give some simp le comments on the style of scientific research. Keywords 2005 Nobel p rize in physics, op tical frequency comb, fem tosecond laser pulse
什么是光学频率梳？具体应用如何？
什么是光学频率梳？具体应用如何？一、什么是光学频率梳？光学频率梳，顾名思义，是一种用于测量和分析光学频率的精密测量工具，它基于光学技术，能够将连续、稳定的光源转换成包含几百万个离散频率的高频率光谱，在光学计量学中有着众多应用。
光学频率梳是一种与光谱学紧密相关的仪器，它的功能就像光的“标尺”，让科学家能够非常精确地测定光的频率，彻底改变了基础科学。
1981年诺贝尔物理学奖得主Arthur Schawlow曾建议“除了频率，不要测量任何东西”，光学频率梳因此被认为是最准确的频率尺。
与光谱学一样，光学频率梳也可以作为精确的光谱尺，为传统的激光测距方法提供支持。
光学频率梳实际上是一种光源，它的光谱是由锐利的、窄的、等距的激光线组成的。
在最初的意义上，光学频率梳被构建为相位稳定的锁模激光器。
这种激光器能够产生连续的极短光脉冲序列，持续的时间通常为皮秒或飞秒。
尽管激光会促使具有相同能量和频率的光子发射，但并不是所有的激光都是单色的，生成超短脉冲需要大量的腔模相干干扰。
因此，锁模激光器包含数百万个固定的共振频率，它们之间有确定的相位关系。
光学频率梳的工作原理是利用光脉冲序列的相位关系来确定光的频率。
当光脉冲序列与待测信号发生干涉时，通过比较两者的相位差可以精确测量光的频率。
由于光脉冲序列非常稳定和精确，因此可以获得高精度的频率测量结果。
二、光学频率梳有哪些具体应用？光学频率梳正广泛应用于诸多领域，包括精密测量、频率标准、频率合成、光谱分析等。
以下列举几种常见应用：超高分辨率的光谱分析光学频率梳结合激光器可以实现超高分辨率的光谱分析。
通过对不同频率的光进行精确测量，可以研究材料的结构、性质以及分子能级等信息。
这个应用在天文学、化学、物理学等研究领域中具有重要作用。
高精度的频率测量和时间标准光学频率梳可用于高精度的频率测量和时间标准。
它能够提供可追踪到国际单位制的频率参考，用于校准各种测量设备和实验仪器，例如雷达测距、天文观测、原子物理实验等。
光学频率梳matlab
光学频率梳matlab光学频率梳是一种精密光学测量工具，通常用于测量光学频率和相位。
它的作用类似于音频频率计，但是能够在光学领域更加精确地进行频率测量。
在实际应用中，光学频率梳被广泛应用于实验室的光学系统、卫星导航和通信系统等领域。
光学频率梳基础光学频率梳最早是由诺贝尔物理学奖得主Theodor W. Hansch 和 John L. Hall 提出的。
它的工作原理是使用一个稳定、高精度的振荡器和一个非线性介质，将一个连续的光谱变换为精确的单色光。
具体来说，光学频率梳通过将一个连续的、高速变化的光束传送到一个非线性晶体中，产生一系列的谐振信号，这些信号的频率呈现规律性的增加（或减少）。
这个过程可以看作是电子的互相作用和抵消，导致频率上的非线性扭曲。
这些扭曲可以被谐振器所处的模式吸收并转换为低频信号。
这些信号的频率与谐振器本身的频率成比例，因此它们形成了一系列精确的频率标记，可用于测量连续光谱的精确频率。
这些精确的频率标记被称为"频率梳"，因为它们通常被表示为均匀分布在频率轴上的锯齿状图案。
光学频率梳在实践中的应用光学频率梳在实践中应用广泛，在物理、化学、生物学等各个领域的应用都没有局限。
在天文学中，光学频率梳被用于检测银河系中太阳系的运行速度；在物理学中，它可以被用作时间标准和频率测量工具；在化学中，它可以被用来测量分子的精确振动频率。
光学频率梳也被广泛应用于实验室内的光学系统调试和控制中。
例如，在激光驱动的精密检测系统中，光学频率梳可以被用来精确地校准和控制激光的频率和相位。
Matlab 是一种广泛应用于数据分析、数学计算和科学计算的高级数学软件。
它被广泛用于开发和测试光学频率梳算法。
在Matlab 中，有许多基于光学频率梳的算法和应用程序，可以帮助研究人员更好地理解和控制光学系统。
以下是一些Matlab 中用于光学频率梳的常用工具：1. Optical Frequency Comb Toolbox光频梳工具箱是一个Matlab 工具箱，专门用于光学频率梳的数值模拟和仿真。
微波频率梳-概述说明以及解释
微波频率梳-概述说明以及解释1.引言1.1 概述微波频率梳是一种具有重要应用价值的技术工具，它可以提供精确的频率校准与测量。
在现代科学研究和工程技术领域，频率的精确度是非常重要的。
微波频率梳以其高精度、高稳定性和广泛的应用领域而受到了广泛的关注。
微波频率梳的工作原理是基于模式锁定技术，它能够实现高精度的频率测量。
通过将光脉冲和微波辐射进行耦合，利用光学谐振腔的特性形成一系列均匀分布的光脉冲。
这些光脉冲的频率之间有固定的间隔，就像梳齿一样，因此被称为“频率梳”。
微波频率梳在光谱学、精密测量、天文观测等领域都有广泛的应用。
微波频率梳的应用领域非常广泛。
首先，它在光学频率测量中起到了关键作用，可以实现高精度的频率测量，对于光谱学研究和精密测量具有重要意义。
其次，微波频率梳在无线通信技术中也有广泛的应用。
通过精确测量无线电频率和实时校准，可以提高通信系统的稳定性和可靠性。
此外，微波频率梳还可以应用于精密时钟、卫星导航、雷达系统等领域。
微波频率梳的发展和研究进展也非常迅速。
随着科学技术的不断进步，微波频率梳的精度和稳定性也在不断提高。
目前已经出现了多种基于不同原理的微波频率梳，如光学腔频率梳、微波电子学频率梳等。
同时，对于微波频率梳的研究也在不断拓展应用领域，如基于微波频率梳的超分辨光谱技术、频率合成、量子计量等都取得了重要的研究成果。
综上所述，微波频率梳具有重要的应用前景和巨大的发展潜力。
随着技术的不断进步，微波频率梳在科学研究、工程技术和通信等领域将发挥越来越关键的作用。
未来，我们可以期待微波频率梳在更多领域的应用，同时也需要加强对其基础原理的研究，进一步提高其精度和稳定性，为科技进步和社会发展做出更大贡献。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三个部分来讨论微波频率梳的相关内容。
在引言部分，我们将对微波频率梳进行概述，介绍其定义、原理以及应用领域，并明确本文的目的。
通过引言部分的阐述，读者将了解到本文所涉及的核心概念和重要性。
2005年诺贝尔物理奖得主---
2005年诺贝尔物理奖得主---美国科学家约翰·马瑟和美国科学家乔治·斯穆特美国科学家约翰·马瑟美国科学家乔治·斯穆特瑞典皇家科学院2006年10月3日宣布，将2006年诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。
按照传统，今年的诺贝尔物理学奖得主宣布仪式继续在久负盛名的瑞典皇家科学院会议厅内举行。
厅内挂满了自18世纪以来瑞典皇家科学院院士的画像，来自世界各地的媒体记者都在这里耐心地等待。
当瑞典皇家科学院常任秘书贡诺·厄奎斯特以“今年的诺贝尔物理学奖将我们带回了宇宙形成的婴儿时代”为开场白时，许多在座的记者已经开始明白获奖者将会是与宇宙学研究相关的科学家。
诺贝尔奖评审委员会发布的公报说，马瑟和斯穆特借助美国1989年发射的COBE卫星做出的发现，为有关宇宙起源的大爆炸理论提供了支持，将有助于研究早期宇宙，帮助人们更多地了解恒星和星系的起源。
公报说，他们的工作使宇宙学进入了“精确研究”时代。
今年60岁的马瑟目前为美国宇航局戈达德航天中心高级天体物理学家。
1945年出生的斯穆特目前任职于美国加利福尼亚大学伯克利分校。
他们将分享1000万瑞典克朗(约合140万美元)的奖金。
在宣布仪式上，评委拨通了马瑟的电话。
马瑟说，他还在睡梦中，所以此刻的感觉除了激动之外还觉得很困。
当在场记者询问他是否真的相信宇宙是从大爆炸中诞生的，这位科学家毫不迟疑地给了大家一个肯定的回答。
诺贝尔物理学奖评委佩尔·卡尔松以回顾历史的方式对今年的获奖成果进行了解读。
卡尔松说，从爱因斯坦的相对论，到1964年的微波激射器和激光器发明，到1993年的脉冲双星发现，这些曾获诺贝尔奖的成就都表明基础物理学研究在进步。
评委会还指出，今年诺贝尔物理学奖涉及的宇宙形成大爆炸理论是比较接近平民的科普知识，对推进社会对宇宙探索的兴趣也有积极作用。
现代量子光学的发端和物理学精密测量的新巅峰——2005年诺贝尔物理学奖成果介绍
现代量子光学的发端和物理学精密测量的新巅峰——2005年
诺贝尔物理学奖成果介绍
李师群
【期刊名称】《科技导报》
【年(卷),期】2005(23)12
【摘要】瑞典皇家科学院决定,授予路易·格劳伯(Roy J Glauber)、约翰·霍尔(John L Hall)和提阿多·汉斯(Theodor W Hnsch)2005年度的诺贝尔物理学奖。
格劳伯是因为他在光相干的量子理论方面的贡献,霍尔和汉斯则是因为他们在发展激光精密光谱学,包括光频梳(optical frequency comb)技术方面的贡献,而分别获此殊荣的。
按历史进程简单评述了现代量子光学的发端,给出了现代量子光学的内容概要,较详细地介绍了汉斯和霍尔是如何发展光频梳技术以精确测量光频的。
【总页数】4页(P12-15)
【关键词】2005年度诺贝尔物理学奖;光相干的量子理论;量子光学;激光精密光谱学;光频梳;原子钟;光钟
【作者】李师群
【作者单位】清华大学物理系
【正文语种】中文
【中图分类】O431.2;O433.1
【相关文献】
1.量子物理学的新繁荣：近几年来诺贝尔物理学奖介绍 [J], 王柏卢
2.诺贝尔物理学奖使量子光学走出黑暗 [J], Dan;Vergano;贾庆文
3.现代物理学成就与物理课程改革——从21世纪诺贝尔物理学奖成果谈起 [J], 蔡铁权;谢佳莹
4.1952年诺贝尔物理学奖--费利克斯·布洛赫与爱德华·珀塞尔因发明用干核磁精密测量的新方法及其有关发现 [J],
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The 2005 Nobel pr ize in physics and optica l
frequency com b techn iques
W E I Zhi2Yi
( B eijing N a tional L aboratory for Condensed M a tter Physics, Institute of Physics, Ch inese A cadem y of S ciences, B eijing 100080, Ch ina)
2 光学频率梳的原理和发展背景
个坐标的纵模 ,其绝对频率可以表示为
f ( n) = nF +δ,
(1)
如图 1所示 ,这里 n是整数 ,δ是该纵模偏离对应坐
标的频率偏差 ,并有 δ < F. 由于激光脉冲的重复
频率 F通常在 100MHz左右 ,正好属于微波频率的
范围 ,因此如果将 F及 δ分别锁定到目前的微波原
图 1 激光光谱内由谐振腔腔长决定间隔的纵模图 (其中虚线 是以重复频率 F为单位的参考数轴 ,δ是纵模与参考数轴之间 的偏差 )
图 2 原子及分子光钟的电磁谱图 (通过锁定放大图中的频率间 隔与偏置频率量 ,可以实现其与微波频标的连接 ) [6 ]
1996年 ,利用掺钛蓝宝石激光器所产生的飞秒 激光脉冲 ,人们不仅通过标准光纤能将重复频率 MHz
出频率偏差 δ,从而通过对其与重复频率 F 的锁定
而实现微波与光学频率之间的稳定连接是极其困难
的. 直到 90年代中后期 ,由于固体飞秒 ( fs, 10 - 15秒 )
激光技术的快速发展 ,才为取得这一突破提供了可能.
为了实现微波频率与光学频率的连接 ,人们很 早就提出了频率链的方案 ,其主要思想是通过非线 性频率变换等手段 ,将光学频率变换到微波频率. 由 于这种方案复杂的技术过程和低的非线性效率 ,科 学家们经过十多年的艰苦努力 ,直到 20世纪末才建 成这样的装置 [ 2 ]. 但是 ,频率链庞大的体积结构及 多次转化所形成的积累误差 ,决定了用其测量光频 的复杂性和不确定性. 20世纪 70年代 ,在美国斯坦 福大学的德国科学家亨施及其同事率先提出了用超 短激光脉冲作为桥梁连接微波频率和光学频率的可 能性 [ 3 ] ,并利用同步抽运染料激光所产生的皮秒激 光脉冲 ,实现了 500GHz的光学频率梳. 在此前后 , 前苏联科学家契包塔耶夫 ( Chebotayev)等人也提出 了类似的概念 [ 4 ] ,并在 1991 年讨论了早期的频率 梳技术 [ 5 ] ,但由于 1992 年契包塔耶夫的去世 ,影响 了这些活动的继续开展. 为了了解光学频率梳的物 理本质 ,这里我们不妨先认识一下激光谐振腔中的 纵模分布. 根据激光的基本原理 ,对于一个腔长为 L 的谐振腔 ,在所输出的光谱范围内存在着大量等间 隔的纵模 ,相邻纵模的频率间距 F = c /2L ,这里 c 是光速. 这样在单位为 F 的参考数轴上 ,接近第 n
评 述
量级的飞秒激光展宽到大于一个倍频程 ,即同时包含 有基波波长与倍频波长的超宽光谱 ,而且利用色散补 偿技术将脉冲宽度压缩到了 5fs[7 ]. 在这样短的时间 内 ,根据光传输距离与时间的关系 τ=λ/ c, 800nm 载 波波长的激光所能振荡的时间还不到 2个光周期. 对 于这样短的激光脉冲 ,一个需要认真考虑的问题是其 载波与脉冲包络之间的相位 ( carrier envelope phase, CEP)变化情况. 就在这一年 ,时在维也纳技术大学访 问研究的中国科学院西安光机所青年学者许林与亨
施教授等人在《光学快报 》(Op tics Letter)上首次发表 了探讨这一问题的经典论文 [8 ] ,图 3表示了对于一个 不到两个光周期的超短激光脉冲 ,其载波与包络之间 的相对变化情况. 由于激光腔内通常群速色散与相速 色散的不同 ,激光每在腔内传输一次 ,其载波与包络 之间就会产生一个相对的相移 Δ<,在频率域 ,相当于 整体纵模移动了 δ的频率 ,并且两者之间存在着 δ = 2πΔ< / F的关系. 因此 ,对相移 Δ< 的测量与控制 ,也 就等价为对频率偏差 δ的测量与控制 ,超快激光技术 及精密计量均面临的一个重大课题 ,不约而同地变成 了同一件事. 三年之后 ,亨施的研究组在对上述关系 进一步分析的基础之上 ,将飞秒钛宝石锁模激光用于 光学频率的测量. 但是 ,由于他们所能获得的光谱宽 度不够一个倍频程 ,不能实现对 CEP,亦即 δ的测量 , 因而成为他们的一种遗憾. 就在此后不久 ,美国贝尔 实验室等研究机构成功地生长出了光子晶体光纤 ( PCF) [9 ] ,并为霍尔教授的研究组率先采用. 由于 PCF的特殊性能 ,人们用其可以方便地将飞秒激光的 光谱展宽到一个倍频程以上 [10 ] ,这样经差拍光谱长 波部分的倍频光与光谱的短波部分 ,即可以测量到 δ. 图 4为测量 δ的原理示意图 ,由 PCF输出的超连续光 谱经分束镜分为高频与低频两部分 ,其高频部分可表 述为 f (2n) = 2nF +δ,而低频部分经倍频后 ,其频率 则为 2f ( n) = 2nF + 2δ. 当这两束光经延时控制再次 重合后 ,即可通过拍频 2f ( n) - f (2n) =δ而测得频率 偏 δ. 霍尔等人正是采用这一所谓的自参考技术 ,通过 高精度的电子伺服反馈系统锁定 δ及重复频率 F,第 一次实现了光学频率 f与微波频率的直接连接 ,并且 用其成功地测量了 778nm 连续波钛宝石激光的精确 波长 [11 ]. 图 5为霍尔等人的频率梳实验结构图 ,可以 看出高稳定的飞秒激光器及高精度的电路控制系统 , 构成了频率梳的核心内容. 目前这样的装置已有产 品 ,并可集成在约 0. 5m2 的尺度内 (图 6).
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评 述
们将时间单位“秒 ”定义为“铯 - 133 原子基态的两 个超精细能级之间跃迁所对应辐射的 9 192 631 770 个周期的持续时间 ”[ 1 ] ,并一直沿用至今. 这一定义 下的时间精度达到了 10 - 15的量级 ,也是目前所有物 理量中最精确的基本单位. 由于时间与频率互为倒 数关系 ,因此在涉及频率的大量科学研究和技术应 用领域 ,如超精细光谱学 、全球定位系统 ( GPS) 、空 天飞行 、精密制导 、无线通讯等方面 ,高精度的频率 时间基准起着核心作用. 可以说以微波原子钟为基 础的时间频率标准 ,构成了现代科学技术大厦的基 石 ,而科学技术研究的不断发展 ,对时间频率的基准 又提出了更高的要求. 为了进一步提高其精度 ,早在 激光诞生后不久 ,人们就想到采用光学频率代替微 波钟作为新的时间基准的可能性 ,从原理上讲 ,由于 光频的频率在数百 THz量级 ,比 GHz的微波频率高 多个量级 ,因此原理上采用光钟可望得到优于 10 - 18 的准确性 ,这无疑会大大提高 GPS、深空导航 、基本 物理常数测量等内容的精度. 但一个巨大的障碍是 如何高精度地实现微波频率与光学频率的连接 ,多 年来一直是制约该项研究的主要瓶颈.
1 引言
我们知道 ,时间作为一个基本的计量单位 ,日常 生活中每个人都会不可避免地与其打交道 ,这样自 然就涉及到时间计量的精度和准确性的问题. 早在 1000年多年前 ,我们的祖先就发明了世界上最早的 时间计量设备 ———水钟 ,但直到 17 世纪前后 ,由于 航海活动的需要 ,人们才对计时精度的重要性有了 初步的认识. 随着现代科学的形成和发展 ,时间的精 密计量也被赋予了新的科学内容 ,一方面新的技术 被用于高精度的时间计量中 ,另一方面精确的时间 量对基础科学的发展起着重要的推动作用. 基于原 子跃迁的同一性 , 1967 年在第 13 届计量大会上人
3 国家自然科学基金 (批准号 : 60490280, 60225005, 10227401 )资 助项目
2006 - 02 - 26收到 Email: zywei@ aphy. iphy. ac. cn
35卷 (2006年 ) 3期 http: ΠΠwww. wuli. ac. cn
用的几种典型光频标的频率位置. 根据傅立叶变换
关系 ,超短激光脉冲的宽度越窄 ,其对应的光谱也就
越宽 ,这样存在的纵模数也就越多. 在 20世纪 70年
代 ,人们所能产生的超短激光脉冲的宽度主要在皮