研究人员首次将双频梳技术应用于光子温度计

AJ Fleisher（右）和 Tobias Herman（左）与实验装置。激光器发出的光在工作台上被操纵，产生两个光学频率梳。这些频率梳发出的光经过组合后被送入包含光子传感器的光纤电缆，光子传感器位于一个温度可控的井内。最后，射频探测器读取光信号。资料来源：Jennifer Lauren Lee/NIST

光子温度计利用光来测量温度，与传统温度计相比，它速度更快、体积更小、更坚固耐用，因此有可能彻底改变温度测量方法。从本质上讲，这种传感器的工作原理是将光传入对温度敏感的结构中。从装置中射出的光线可为科学家提供传感器所处温度的相关信息。

有朝一日，这些微小的温度计和其他类型的光子传感器（可测量应变、湿度、加速度和其他数量）可以在建筑或桥梁等结构建造时嵌入其中。通过在混凝土或水泥凝固时测量这些特性，光子传感器可以为工程师提供有关结构形成过程的宝贵信息，从而帮助他们预测结构的长期性能。

但是，研究人员尚未解决的一个问题是 "询问 "这些光子传感器的最佳方法，也就是将光输入并将光输出。传统的方法需要使用激光来产生进入传感器的每一个频率的光，这种方法困难、缓慢、昂贵而且笨重。

现在，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员设计并测试了一种方法，可以比以前的方法快 10 到 1000 倍来询问这些传感器。他们采用了一种名为双频梳系统的方法来实现这一目标，该系统过去曾用于测量微量温室气体等任务，但从未用于光子温度计。

论文发表在《光学快报》（Optics Letters）杂志上，原理验证实验使他们离这项技术的商业化又近了一步。

"NIST的Zeeshan Ahmed说："我对它的效果感到惊讶。

另外一个好处是，与传统的将光送入和送出传感器的方法不同，双梳系统可以同时支持多个光子传感器，进一步缩小了未来商业化系统的尺寸和成本。

二十个问题
为了使用光子温度计，研究人员将多种波长的光输入光缆。这些光与某种传感器相互作用，在本例中，这种传感器是一种由光纤内一系列蚀刻标记组成的光栅。

光与光栅相互作用的方式取决于温度。研究人员从暴露在温度下得到的信号是，他们放入光纤中的许多波长之一的光的振幅减小，即 "凹陷"。哪种波长的光出现 "凹陷"，就说明传感器正在经历哪种温度。

但如何将不同波长的光送入光纤呢？

光缆中的红色激光（用于演示）。光子温度计传感器就安装在这样一根光缆的末端。资料来源：Jennifer Lauren Lee/NIST 用两个音叉演示 "节拍 "模式，这两个音叉几乎完全相同，但音调略有不同。如果同时演奏这两个音叉，音调就会相互干扰，产生跳动，声音就会忽大忽小。资料来源：Sean Kelley/NIST

一种传统的方法是 "扫描 "激光，一次产生一系列不同的波长，然后将每个波长送入传感器。为了保持精确度，研究人员必须进行额外的步骤，将每个波长与一个标准进行比较，以验证他们产生的波长就是他们想要的波长。

"这是一种缓慢的工作方式，"艾哈迈德说。这有点像玩 "二十个问题"： 你问传感器，这个波长是有凹痕的吗？不是，那这个波长呢？不是。

对于温度快速变化的应用来说，速度尤其重要--例如，在放射治疗中测量微秒级（百万分之一秒）的温度变化时，放射治疗是一种利用光束加热并杀死癌细胞的癌症治疗方法。

"传统的扫描方法并不适合测量温度的快速变化，"艾哈迈德说。"我们可以做到这一点，但并不完美。因此，我和我们的团队就在这种背景下开始讨论： 我们怎样才能既快速又准确地进行测量？

梳理各种可能性
在目前的项目中，研究小组利用一种叫做频率梳的装置来实现这一目标--激光由一系列不同的波长组成，每种波长之间的间隔相等。(波长和频率是相互关联的，就像一枚硬币的两面。波长越短，频率越高，反之亦然）。将这些波长绘制在图表上时，频梳看起来有点像发梳，每个齿都是一个离散的光波长。

梳子可用于各种用途，从制造原子钟到作为光的参照物或一种标尺，科学家们可以用它来测量实验中发出的光信号。

在这项工作中，研究人员使用一种梳子作为光源--他们称之为 "询问器"--将其渡入光子温度计。研究人员要寻找的信号是一组牙齿发出的光量的减少，与特定温度相对应。

但情况要比这复杂得多，因为这个系统实际上使用的不是一个，而是两个频率梳。

光子温度计需要波长介于大约 1520 纳米（十亿分之一米）和 1560 纳米之间的近红外线--这对于人眼来说有点太长了。(可见光的波长大约在 400 纳米到 800 纳米之间）。当梳齿之间的间距如此之近时，相邻梳齿之间的间距仅为千亿分之一米，因此很难看到能告诉研究人员传感器温度的特征性凹陷。

为了更容易地读取信号，研究人员制作了第二把梳子，它几乎是第一把梳子的复制品，但又不完全一样。然后，研究人员将两把梳子发出的光结合起来，送入传感器。

光缆中的红色激光（用于演示）。光子温度计传感器就安装在这样一根光缆的末端。资料来源：Jennifer Lauren Lee/NIST

当两个梳子发出的光结合在一起时，它们略微偏移的频率会产生一个节拍图案。想象一下，你有两个音叉，它们产生的音调几乎完全相同，但彼此略有偏差。如果你一个接一个地演奏它们，它们的声音对你来说可能是一样的。但如果你把它们放在一起演奏，它们略有不同的声音就会相互干扰。实际上，你可以听到这种差异--听起来就像一个节拍，音调会越来越大，越来越轻，越来越轻。

两根梳齿之间的偏移量属于射频（RF）波，即波长在米级的光。通过使用两个光学梳齿，研究人员有效地创建了一个射频梳齿。光学梳中每对齿之间的波长差是独一无二的，而这一波长差就形成了射频梳中每一个独一无二的齿。

重要的是，光学系统中波长的 "骤降 "会告诉研究人员传感器所处的温度，也会导致射频输出的 "骤降"。这使得特定波长的振幅下降更加明显。

"这就是双梳方法的优势： NIST 的 A.J. Fleisher 说道。

不同颜色的开尔文
为了测试他们的新方案效果如何，NIST 团队必须将传感器置于温度控制良好的环境中。因此，当两个光学频率梳发出的激光对光子传感器进行询问时，光子传感器本身则放置在一个类似保温瓶的容器中，这个容器被称为定点电池。

定点电池是大块的纯材料，它们要么正在融化，要么正在冻结。当它们发生相变时，其内部的温度是稳定和已知的。定点池用于按照国际单位制（即 SI--官方国际温标）实现温度。

"NIST的托比亚斯-赫尔曼（Tobias Herman）说："我们之所以使用定点电池，是因为我们希望温度稳定性不会成为这项实验的限制因素。NIST 的托比亚斯-赫尔曼（Tobias Herman）说："这样一来，如果有什么东西发生了变化、移动或噪音，我们就可以排除温槽的来源。它只是一个舞台，审讯器可以照到它"。

有了这个装置，他们就能把温度测量到万分之一开尔文以内，研究人员说这足以满足大多数工业应用的需要。

"赫尔曼说："这太神奇了。"在我们启动另一项研究计划时，我也使用过类似的光纤，当时我正在扫描激光器，这是一种传统的询问模式，我获取数据的速度慢得令人窒息。相比之下，这套系统的采集速度（数据采集时间）让我大吃一惊。但公平地说，我是温度专家，不是梳子专家。这不是我的专业领域，所以我已经做好了惊讶的准备。

在接下来的几个月里，研究人员希望尝试同时使用不止一个传感器的相同设置。这就是双梳光子系统的前景：能够将多个温度计以及其他光子传感器串联起来，让相同的激光依次穿过每个传感器。

"艾哈迈德说："这非常接近我们的商业化要求。"我们已经达到了很多需要达到的指标，比如测量的准确性和速度。这项研究表明，你可以使用小型的双梳系统，并在你需要的应用领域得到足够好的答案。

参考资料

Adam J. Fleisher et al, Dual electro-optic frequency comb photonic thermometry, Optics Letters (2023). DOI: 10.1364/OL.482838