摘要
经典的自参照频率梳激光器在发明20年后，由于其光输出的刚性间距，已成为频率、时间和距离测量的无与伦比的标尺1，2．因此，它现在被用于许多需要高带宽和高精度结合的传感应用3.，4，5．然而，这些应用中的许多都受到梳状输出固有刚性的限制，并且远远没有达到量子限制的灵敏度。在这里，我们演示了一种灵活的可编程频率梳，其中脉冲时间和相位是数字控制的，精度为±2阿秒。这种敏捷性使传感应用中的量子限制灵敏度成为可能，因为可编程梳可配置为在射击噪声限制下相干跟踪弱返回脉冲序列。为了突出其功能，我们在测距系统中使用了这种可编程梳，与传统的双梳系统相比，降低了达到给定精度所需的功率约5000倍。这使得每脉冲的平均光子数为1/77，同时保持刚性频率梳的全部精度和精度。超越测距和成像6，7，8，9，10，11，12，在时间和频率计量中的应用1，2，5，13，14，15，16，17，18，19，20.，21，22，23，梳基光谱学24，25，26，27，28，29，30.，31，32，泵-探针实验33压缩感知34，35应受益于梳脉冲时间和相位的连贯控制。
这是订阅内容的预览，通过你所在的机构访问
访问选项
订阅《自然》+
立即在线访问《自然》和其他55种《自然》杂志
29.99美元
每月
订阅期刊
获得1年的完整期刊访问权限
199.00美元
每期仅需3.90美元
所有价格均为净价格。
增值税稍后将在结帐时添加。
税务计算将在结账时完成。
买条
在ReadCube上获得时间限制或全文访问。
32.00美元
所有价格均为净价格。
数据可用性
本文中图表的数据可从以下网址下载https://data.nist.gov/od/id/mds2-2703．
代码的可用性
创建时间可编程频率梳所需的数学和算法在正文和方法之间进行了描述。
参考文献
Hänsch, t·w·诺贝尔演讲:对精确的热情。Rev. Mod. Phys。78， 1297-1309(2006)。
诺贝尔演讲:定义和测量光频率。Rev. Mod. Phys。78， 1279-1295(2006)。
纽伯里，n.r.用精细的梳子寻找应用程序。Nat,光子。5， 186-188(2011)。
Fortier, T. & Baumann, E. 20年光学频率梳技术和应用的发展。Commun。理论物理。2153(2019)。
德丹姆，S. A.，瓦哈拉，K. & Udem, T.光学频率梳:相干统一电磁频谱。科学369， eaay3676(2020)。
朱震，吴刚，双梳式测距。工程4， 772-778(2018)。
Coddington, I.， Swann, W. C.， Nenadovic, L. & Newbury, N. R.远距离快速和精确的绝对距离测量。Nat,光子。3.， 351-356(2009)。
金，W.等人。超短光脉冲飞行时间测量的绝对激光测距。J.选择社会。点。一个37， b27-b35(2020)。
Minoshima, K. & Matsumoto, H.使用紧凑飞秒激光在光学隧道中高精度测量240米距离。达成。选择。39， 5512-5517(2000)。
Vicentini, E.， Wang Z.， Van Gasse, K.， Hänsch, t.w. & Picqué， N.双梳高光谱数字全息。Nat,光子。15， 890-894(2021)。
Kato, T.， Uchida, M. & Minoshima, K.使用啁啾光学频率梳的超快尺寸转换的无扫描3D测量方法。科学。代表。7， 3670(2017)。
Hase, E.等人。基于双梳显微镜的无扫描共聚焦相位成像。视神经节5， 634-643(2018)。
Deschenes, j。et al。飞秒级远距离光学时钟的同步。理论物理。启X6， 021016(2016)。
乔治塔，F. R.等。自由空间的光双向时间和频率传输。Nat,光子。7， 434-438(2013)。
辛敏，Şafak, K. & Kärtner, F. X.大型科学仪器超精密定时与同步。视神经节5， 1564-1578(2018)。
沈，Q.等。10点星地光学链路时频传输的实验模拟−18不稳定。视神经节8， 471-476(2021)。
博尔德原子钟光网络(BACON)协作使用光时钟网络以18位精度测量频率比。自然591， 564-569(2021)。
Clivati, C.等。使用相干光纤链路的共钟超长基线干涉测量。视神经节7， 1031-1037(2020)。
Bergeron, H.等人。飞行四轴飞行器光学时钟的飞秒时间同步。Commun Nat。10， 1819(2019)。
博丁，m.i.等。光时频传输在自由空间，三节点网络。APL光子。5， 076113(2020)。
迪克斯-马修斯，B. P.等。点对点稳定光学频率传输与主动光学。Commun Nat。12， 515(2021)。
戈扎德，d.r.等人。全球光学原子钟网络的超稳定自由空间激光链路。理论物理。启。128， 020801(2022)。
沈强等。113公里自由空间时频传播在第十九十进制不稳定性。预印在https://arxiv.org/abs/2203.11272(2022)。
Coddington, I.， Newbury, N. & Swann, W.双梳光谱学。视神经节3.， 414-426(2016)。
科塞尔，K. C.等大气光谱监测研究进展(编者Chen, W.等人)27-93 (Elsevier, 2021);https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815014-6.00008-7．
Picqué， N.和Hänsch, t.w.频率梳光谱。Nat,光子。13， 146-157(2019)。
Lomsadze, B. Smith, B. C. & Cundiff, S. T.三梳光谱学。Nat,光子。12， 676-680(2018)。
Friedlein, J. T.等人。双梳状光声光谱。Commun Nat。11， 3152(2020)。
Wildi, T.， Voumard, T.， Brasch, V.， Yilmaz, G. & Herr, T.光声双频梳光谱。Commun Nat。11， 4164(2020)。
Ideguchi, T.等。激光频率梳相干拉曼光谱成像。自然502， 355-358(2013)。
Rieker, G. B.等。基于频率梳的温室气体千米空气路径遥感。视神经节1， 290-298(2014)。
武马尔，T.等人。人工智能实时双梳分子指纹成像。选择列托人。45， 6583-6586(2020)。
Marian, A.， Stowe, m.c.， Lawall, J. R.， Felinto, D. & Ye, J.联合时频光谱动力学和全局结构。科学306， 2063-2068(2004)。
乔治塔，F. R.等。基于光纤激光的动态控制光谱分辨率的双梳光谱。在激光与光电会议(2021年)AM3E.4(美国光学学会，2021)。
Kawai, A.， Kageyama, T.， Horisaki, R. & Ideguchi, T.压缩双梳光谱。科学。代表。11， 13494(2021)。
马丁，B. Feneyrou, P. Dolfi, D. &马丁，A.双梳基测距系统的性能和局限性。选择快递。30.， 4005(2022)。
埃利斯，J. L.等。将基于频率梳的光学时间传输扩展到较长的地面距离。理论物理。启:。15， 034002(2021)。
Schliesser, A.， Brehm, M.， Keilmann, F. & van der Weide, D.用于快速、远程化学传感的频率梳红外光谱仪。选择快递。13， 9029-9038(2005)。
Tourigny-Plante, A. Guay, P. & Genest, J.双梳光谱快速测量中的Apodization。在光学传感器与传感大会(2020)LTu3C.2(美国光学学会，2020)。
Shi Y.等。基于双梳状电控光学采样的高速飞行时间位移测量。选择快递。30.， 8391-8398(2022)。
Antonucci, L.， Solinas, X.， Bonvalet, A. & Joffre, M.激光重复频率之间任意失谐的异步光学采样。选择快递。20.， 17928-17937(2012)。
Trocha, P.等人。基于微谐振腔孤子频率梳的超快光学测距。科学359， 887-891(2018)。
Mitchell, T.， Sun, J.， Sun, J. & Reid, D. T.使用Ti:sapphire双梳距离测量在高达130 khz采样率的动态测量。选择快递。29， 42119-42126(2021)。
Suh M.-G。& Vahala, K. J.孤子微梳距离测量。科学359， 884-887(2018)。
用皮秒分辨率测量时间间隔的方法综述。Metrologia41， 17-32(2004)。
法布尔，C. & Treps, N.量子光学中的模式和态。Rev. Mod. Phys。92， 035005(2020)。
安萨里，V.等。实现终极量子计时分辨率。插件可以量子2， 010301(2021)。
辛克莱，L. C.等。在城市上空12公里的强湍流空气中实现时钟同步。达成。理论物理。列托人。109， 151104(2016)。
巴伯，郑伟，达尔，夏培文，李志强，李志强。连续波调频雷达脉冲噪声统计与灵敏度极限信息理论。J.选择社会。点。一个30.， 1335-1341(2013)。
鲍曼等人。用于绝对距离测量的梳式校准调频连续波雷达。选择列托人。38， 2026-2028(2013)。
克劳奇，S. &巴伯，Z. W.干涉和聚光灯合成孔径雷达技术的实验室演示。选择快递。20.， 24237(2012)。
Caldwell, E. D.等人。光子高效光时间传递。在2022年欧洲频率和时间论坛暨IEEE国际频率控制研讨会联合会议，法国巴黎(2022)。
Schliesser, A.， Picqué， N. & Hänsch, T. W.中红外频率梳。Nat,光子。6， 440-449(2012)。
Ycas, G.等。跨度2.6 ~ 5.2 μm的高相干中红外双梳光谱。Nat,光子。12， 202-208(2018)。
穆拉维耶夫，A. V.， Smolski, V. O.， Loparo, Z. E. & Vodopyanov, K. L.用宽带次谐波中红外频率梳大规模并行传感痕量分子及其同位素。Nat,光子。12， 209-214(2018)。
辛克莱，L. C.等。特邀文章:一种紧凑的光学相干光纤频率梳。启科学。Instrum。86， 081301(2015)。
金斯顿，r.h.光学和红外辐射的探测(施普林格,1978)。
确认
我们邀请J. Ellis, T. Fortier, K. Cossel, W. Swann, B. Stuhl和B. Washburn进行讨论。我们感谢国家标准与技术研究所的资助。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
E.D.C、l.c.s.、N.R.N.和j.d.d.都对最初的构想、实验设计、数据采集、结果分析和手稿的撰写做出了贡献。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢Takuro Ideguchi, Xiaoxiao Xue和其他匿名审稿人对本工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1距离偏差功率比较。
信号梳功率从980 nW(底部曲线)下降到0.33 pW(顶部曲线)的固定反射的双梳距离测量的距离偏差(左轴)和时间偏差(右轴)，功率水平为±10%:980 nW, 190 nW, 86 nW, 38 nW, 21 nW, 9.6 nW, 1.8 nW, 1.2 nW, 390 pW, 200 pW, 89 pW, 33 pW, 23 pW, 8.5 pW, 4.1 pW, 1.9 pW, 990 fW, 550 fW和330 fW。垂直虚线的青色线表示图中数据的平均时间为200毫秒。3 c．超过200毫秒后，由于温度引起的光纤路径波动直到固定反射，距离偏差增加。此外，跟踪梳定时的绝对范围与未包裹载波相移的相对范围之间的差异的偏差，从图。4，以3.2 pW(绿色正方形)显示60 - 100秒的时间段，以32 pW(绿色三角形)显示110秒- 150秒的时间段。对于这些数据，信号和TPFC脉冲之间的差啁啾更大，导致1.5倍的额外损失C因此，以相同的功率位于曲线上方，用于固定反射(实心圆)的测距。然而，由于路径长度的变化是共模态的，差异继续平均下来超过200毫秒。
图2范围功率谱密度。
图中数据的范围功率谱密度(PSD)。4在60秒到100秒的时间内，从跟踪梳(蓝色迹线)和未包裹载波相位以3.2 pW返回功率X(t)\θ(t) (\ \)(紫色的痕迹)。还显示了未包装载波相位的噪声底限(深蓝色痕迹)。在载波相位数据中可以清楚地看到名义上静止的反射器的振动。在3.2 pW的低平均功率下，跟踪双梳距射噪限制噪声底面刚好高于这里看到的最小振动。垂直的洋红色线表示FMCW的最大10 Hz更新速率，而垂直的墨绿色线表示26 kHz测量速率对范围数据施加的13 kHz截止时间。
权利和权限
关于本文
引用本文
考德威尔，e.d.，辛克莱，l.c.，纽伯里，N.R.et al。时间可编程频率梳及其在量子限定测距中的应用。自然610， 667-673(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05225-8
收到了：
接受：
发表：
发行日期：
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05225-8
