計時

光學頻率梳在原子鐘和計時方面具有歷史性的意義。光學原子鐘通過計算原子的自然振蕩來標記時間的流逝，就像老爺鐘計算鐘擺的擺動一樣。這些原子每秒振蕩約 500000 億次，比標準微波原子鐘的頻率高得多。目前用于測量微波原子鐘頻率的電子系統根本無法計算光學 "滴答 "聲。

由于光學頻率梳的齒間距均勻且精確，因此梳齒的作用就像時鐘的齒輪一樣，可以接收較快的光學頻率，能將較快的光頻分解為電子鐘和當前原子鐘使用的低頻微波信號。這樣，科學家們就能將光學原子鐘的高頻 “滴答聲 ”與微波鐘的低頻 “滴答聲 ”以及當今計算機和通信系統使用的電子設備聯系起來。

有了這些在電子設備、微波工具和光學原子鐘之間傳輸精確信號的 “齒輪”，科學家們就可以利用這些功能強大的新時鐘來建立更快、更精確的計時系統。光學原子鐘最終可能會重新定義秒。

光頻梳的作用就像時鐘中的齒輪，讓科學家能夠輕松地將高頻光學頻率轉換為低頻微波，反之亦然。它們甚至可以幫助科學家在不同的光學頻率之間進行轉換。

為了將這些新時鐘用于國家和全球計時，科學家需要能夠比較來自不同距離的時鐘信號。光學頻率梳也有助于實現這一目標。NIST 和 JILA(NIST 和 CU Boulder 的聯合研究所)使用激光雷達在空中發送時間信號，對兩種不同的原子鐘進行比較。

改進計時系統在從股票交易到導航等許多技術應用中都至關重要。全球定位系統(GPS)的衛星和接收器來回發送無線電信號，并利用這些信號的時間來確定用戶的位置。全球定位系統使用軍用時間，這些時鐘會定期與民用時鐘(如美國國家標準與技術研究院的光學原子鐘和世界各地的其他類似時鐘)核對時間。

光學原子鐘在研究量子物理學方面也很有用。通過將時間分割成令人難以置信的小片，科學家可以利用這些時鐘測量以前無法檢測到的變化，例如短距離尺度上的引力紅移，即引力對時間流逝的影響。

天文學和宇宙學

先進的光學原子鐘還能讓科學家們研究我們地球以外的大自然常數。例如，在光學頻率梳的幫助下，NIST 的科學家們正在利用這些改進的時鐘來尋找難以捉摸的暗物質。

光學頻率梳還在幫助科學家尋找遙遠恒星周圍的系外行星。通過跟蹤這些恒星發出的光的確切顏色，他們可以尋找恒星運動中的擺動，這將表明有一顆類似地球的行星圍繞恒星運行。

精確測量距離

光學頻率梳可以遠距離工作。2013 年，NIST 獲得了激光雷達使用，這是一種光探測和測距系統，利用光頻率梳通過分析物體反射的光來測量物體的距離。

該系統已在一些研究應用中使用。NIST 的火災研究實驗室利用頻率梳 “看 ”穿火焰，并識別出熔化物體。基于頻率梳的激光雷達還被用于繪制 3D 地圖。最終，使用光學頻率梳的激光雷達可以使衛星和其他空間儀器保持緊密編隊飛行，發揮單一儀器的作用。

大氣科學與溫室氣體

原子和分子可以通過其吸收光的頻率來識別。由于光學頻率梳能在短脈沖中產生數百萬個頻率，因此可用于快速有效地研究各種分子和原子的數量、結構和動態。

這有許多潛在的應用，并已被用于研究污染問題。JILA 的科學家利用光學頻率梳研究了將燃燒化石燃料與空氣污染聯系在一起的短壽命分子。頻率梳還可以探測大型復雜分子的結構和動力學。

科學家們還致力于利用光學頻率梳檢測氣體中各種分子的痕量。2019 年，來自 NIST、科羅拉多大學博爾德分校和 LongPath Technologies 的科學家和工程師開發了一種雙梳便攜式光譜系統，用于檢測油氣田排放的微量甲烷。

審核編輯 黃宇