Rulers of Light
A. In the blink of an eye, a wave of visible light completes a quadrillion oscillations, or cycles. That very large number presents both opportunities and a challenge. The opportunities promise numerous applications both inside and outside of laboratories. They go to the heart of our ability to measure frequencies and times with extremely high precision, a skill that scientists rely on for some of the best tests of laws of nature—and one that GPS systems, for instance, depend on. The challenge has centered on the impossibility of manipulating light with the techniques that work so well for electromagnetic waves of much lower frequencies, such as microwaves.
Chỉ trong một cái chớp mắt, một sóng ánh sáng khả kiến có thể hoàn thành hàng nghìn tỷ tỷ chu kỳ dao động. Con số khồng lồ đó vừa mang lại cơ hội vừa đặt ra thách thức cho chúng ta. Những cơ hội liên quan trực tiếp đến khả năng đo đạc tần số và thời gian với độ chính xác cực kỳ cao, một kỹ năng mà các nhà khoa học dựa vào để kiểm nghiệm những định luật tự nhiên tốt nhất—và cũng là điều mà các hệ thống GPS, chẳng hạn, phụ thuộc vào. Thách thức nằm ở chỗ việc thao tác với ánh sáng bằng các kỹ thuật vốn hiệu quả đối với sóng điện từ tần số thấp hơn (như vi ba) là điều không thể.
B. Now, thanks to a decade of revolutionary advances in laser physics, researchers have at hand technologies that can unlock the latent potential that visible light’s high frequencies previously kept us from realizing. In particular, scientists have developed the tools to exploit a type of laser light known as an optical frequency comb. Like a versatile ruler of light with tens or hundreds of thousands of closely spaced “tick marks,” an optical frequency comb provides exquisitely precise measurements of light. Such a comb can form a bridge spanning the huge frequency gap from microwaves to visible light: very precise microwave measurements can, with an optical comb, produce equally exact data about light.
Giờ đây, nhờ một thập kỷ tiến bộ mang tính cách mạng trong vật lý laser, các nhà nghiên cứu đã sở hữu những công nghệ có thể mở khóa tiềm năng mà tần số cao của ánh sáng khả kiến trước đây đã cản trở chúng ta khai thác. Cụ thể, các nhà khoa học đã phát triển công cụ để tận dụng một dạng ánh sáng laser gọi là “lược tần quang học” (optical frequency comb). Giống như một “thước” quang học linh hoạt với hàng chục hoặc hàng trăm nghìn “vạch chia” nằm sát nhau, lược tần quang học cho phép đo chính xác tinh vi ánh sáng. Lược này có thể tạo ra một cầu nối bắc qua khoảng cách tần số khồng lồ từ sóng vi ba đến vùng ánh sáng khả kiến: đo đạc sóng vi ba với độ chính xác cao có thể, nhờ lược quang học, cung cấp dữ liệu chính xác tương đương cho ánh sáng.
C. Myriad applications are in the pipeline. Optical combs will enable a new generation of more precise atomic clocks, ultrasensitive chemical detectors and the means to control chemical reactions using lasers. The combs could greatly boost the sensitivity and range of lidar (light detection and ranging)—and also provide a vast increase in the number of signals traveling through optical fiber.
Vô số ứng dụng đang được phát triển. Lược tần quang học sẽ cho phép tạo ra thế hệ đồng hồ nguyên tử chính xác hơn, máy dò hóa chất siêu nhạy, cũng như cách thức kiểm soát phản ứng hóa học bằng laser. Các lược này cũng có thể giúp tăng đáng kể độ nhạy và phạm vi của lidar (thiết bị quét bằng laser) và đồng thời mở rộng số lượng tín hiệu truyền qua sợi quang lên rất nhiều lần.
D. Combs will greatly simplify the task of measuring optical frequencies with extremely high precision. In the 20th century such a measurement would have required a team of Ph.D.s running rooms full of single-frequency lasers. Today a graduate student can achieve similar results with a simple apparatus using optical frequency combs. The new optical atomic clocks also spring from this simplification. Much as a pendulum in a grandfather clock requires gears to record its swings and slowly turn the clock’s hands, an optical atomic clock uses an optical frequency comb to count the oscillations of light and convert them into a useful electronic signal. In just the past year, researchers have used optical combs to surpass the cesium-based atomic clocks that have been the best system available for decades.
Lược tần quang học sẽ đơn giản hóa đáng kể việc đo tần số ánh sáng với độ chính xác cực cao. Vào thế kỷ 20, để tiến hành đo này, có thể chúng ta sẽ cần cả một đội tiến sĩ vận hành hàng loạt laser tần số đơn cỡ lớn. Ngày nay, một nghiên cứu sinh vẫn có thể thu được kết quả tương tự chỉ với một thiết bị đơn giản sử dụng lược tần quang học. Các đồng hồ nguyên tử quang học mới cũng ra đời từ sự đơn giản hóa này. Tương tự như con lắc trong đồng hồ quả lắc cần những bánh răng để ghi lại dao động và quay dần kim đồng hồ, một đồng hồ nguyên tử quang học dùng lược tần quang học để đếm dao động ánh sáng và chuyển chúng thành tín hiệu điện tử hữu ích. Trong năm vừa qua, các nhà nghiên cứu đã dùng lược quang học để vượt qua độ chính xác của đồng hồ nguyên tử dựa trên cesium—vốn là chuẩn mực suốt nhiều thập kỷ.
E. In some respects, the scene-changing advent of optical combs is similar to the leap forward that resulted from the invention of the oscilloscope about 100 years ago. That device heralded the modern age of electronics by allowing signals to be displayed directly, which facilitated development of everything from television to the iPhone. Light, however, oscillates 10,000 times faster than the speed of the fastest available oscilloscopes. With optical combs, the same capability to display the waveform is becoming available for light.
Ở một khía cạnh nào đó, sự xuất hiện mang tính đột phá của lược tần quang học giống với bước nhảy vọt đạt được khi máy hiện sóng (oscilloscope) được phát minh cách đây khoảng 100 năm. Thiết bị này đã mở ra kỷ nguyên điện tử hiện đại khi cho phép hiển thị trực tiếp các tín hiệu, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của mọi thứ từ tivi đến iPhone. Tuy nhiên, ánh sáng dao động nhanh hơn tốc độ quét tối đa của máy hiện sóng nhanh nhất tới 10.000 lần. Nhờ lược quang học, khả năng hiển thị dạng sóng này giờ đây cũng khả dụng cho vùng ánh sáng.
F. Optical frequency comb applications require exquisite control of light across a broad spectrum of frequencies. This level of control has been available for radio waves for a long time but is only now becoming possible for light. An analogy to music helps in understanding the required level of control. Before the development of combs, lasers could produce a single color, like a single optical tone. They were akin to a violin with only one string and no fingerboard, capable of playing only one note (ignore for the moment that musical notes are much richer than pure tones). To play even a simple piece would require many different instruments, each painstakingly tuned. Each violin would require its own musician, just as every single-frequency laser requires its own operator.
Việc ứng dụng lược tần quang học đòi hỏi kiểm soát tinh vi ánh sáng trên một phổ tần số rộng. Mức kiểm soát này vốn đã có từ lâu với sóng vô tuyến, nhưng nay mới được áp dụng cho ánh sáng. Chúng ta có thể so sánh điều này với âm nhạc để dễ hiểu hơn. Trước khi có sự phát triển của lược quang học, laser chỉ có thể tạo ra một màu duy nhất, giống như một nốt nhạc quang học. Chúng giống như một cây vĩ cầm chỉ có một dây và không có phím bấm, chỉ chơi được một nốt nhạc (tạm bỏ qua sự thực rằng nốt nhạc thật phong phú hơn rất nhiều). Để chơi được một bản nhạc dù đơn giản, cần nhiều nhạc cụ khác nhau, mỗi loại phải được điều chỉnh cẩn thận. Mỗi violin lại cần một nhạc công riêng, cũng như mỗi laser tần số đơn cần có một người vận hành riêng.
G. In contrast, one operator can use an optical comb to cover the entire optical spectrum, not merely like a pianist at a piano but like a keyboardist playing an electronic synthesizer that can be programmed to mimic any musical instrument or even an entire orchestra. Comb technology, in effect, enables symphonies of hundreds of thousands of pure optical tones.
Ngược lại, chỉ cần một người vận hành có thể dùng lược quang học để bao trùm toàn bộ quang phổ, không chỉ giống như một nghệ sĩ dương cầm tại cây đàn piano mà còn như một nghệ sĩ keyboard sử dụng đàn tổng hợp điện tử, có thể lập trình để mô phỏng bất kỳ nhạc cụ nào hay thậm chí cả một dàn nhạc giao hưởng. Công nghệ lược này, thực chất, cho phép tạo ra những “bản giao hưởng” của hàng trăm nghìn nốt quang học tinh khiết.
H. Optical frequency combs are generated by devices called mode-locked lasers, which create ultrashort pulses of light. To understand the important features of such pulses, begin by imagining the light wave of the other chief kind of laser, a continuous-wave (CW) laser. Ideally, such a wave would be an endless stream of perfectly regular oscillations (representing the light wave’s electric field), every wave crest and trough having the same amplitude and arriving at an unchanging rate. A pulse from a mode-locked laser, in contrast, is a short series of wave crests and troughs whose amplitude rises from zero to a maximum and then falls back to zero. The shortest pulses, with durations of less than 10 femtoseconds, contain just a few full oscillations of the light wave. The general outline of the pulse—its overall rise and fall—is called its envelope. One can think of the pulse as being like the earlier continuous wave (the “carrier wave”), with that wave’s amplitude multiplied by the changing height of the envelope.
Lược tần quang học được tạo bởi các thiết bị gọi là laser khóa mode (mode-locked lasers), vốn tạo ra các xung siêu ngắn. Để hiểu những đặc tính quan trọng của các xung này, ta hãy tưởng tượng sóng laser dạng sóng liên tục (CW). Lý tưởng nhất, sóng đó giống như một chuỗi bất tận dao động đều đặn (đại diện cho trường điện của ánh sáng), mọi đỉnh và đáy sóng có cùng biên độ và đến theo một nhịp không thay đổi. Ngược lại, một xung laser khóa mode là một chuỗi ngắn các đỉnh và đáy sóng có biên độ tăng từ 0 lên cực đại rồi trở về 0. Những xung ngắn nhất, với thời lượng dưới 10 femtô-giây, chỉ chứa vài dao động đầy đủ của sóng ánh sáng. Đường bao tổng quan của xung—mức tăng dần rồi giảm dần theo thời gian—được gọi là “envelope”. Ta có thể hình dung xung này giống như sóng liên tục (sóng mang) ban đầu, với biên độ sóng đó được nhân với độ cao biến đổi của đường bao.
I. The carrier wave consists of light of one pure frequency. A plot of its spectrum would have a single spike at that frequency, representing the presence of that frequency alone. You might expect that the pulse you are imagining would also consist of light only at that frequency—after all, it is just the single-frequency carrier wave with its amplitudes changed—but that is not how waves and spectra work. Instead the pulse is made up of light of many frequencies all traveling together. The frequencies form a small, continuous band centered on the carrier frequency. The shorter the pulse, the broader the spread of frequencies.
Sóng mang bao gồm ánh sáng với một tần số tinh khiết. Nếu vẽ phổ của sóng đó, ta sẽ thấy một đỉnh duy nhất tại tần số đó, thể hiện sự hiện diện của duy nhất một tần số. Chúng ta có thể kỳ vọng xung ta đang hình dung cũng chỉ chứa ánh sáng ở tần số đó—suy cho cùng, nó chỉ là sóng mang tần số đơn với biên độ thay đổi. Nhưng thực tế không phải vậy. Thay vào đó, xung này được cấu thành từ nhiều tần số ánh sáng di chuyển cùng nhau. Các tần số này tạo thành một dải liên tục nhỏ, nằm quanh tần số mang. Xung càng ngắn thì dải tần càng rộng.
J. Two additional features of the pulses emitted by mode-locked lasers are keys to the development of optical frequency combs. First, shifting the envelope a little relative to the carrier wave results in slightly different pulses. The peak of the pulse envelope may occur at the same time as a crest of the carrier, but it may also be shifted to any other stage of the oscillation. The amount of displacement is called the phase of the pulse. Second, mode-locked lasers emit trains of pulses at a very regular rate, called the repetition rate. The frequency spectrum of such a train of pulses does not form a continuum spread on each side of the carrier frequency but rather breaks into many discrete frequencies. Plotted, the spectrum looks like the teeth of a hair comb, spaced at precisely the laser’s repetition rate.
Hai đặc điểm bổ sung của các xung phát ra từ laser khóa mode chính là chìa khóa cho sự phát triển của lược tần quang học. Thứ nhất, dịch chuyển đường bao một chút so với sóng mang sẽ tạo ra các xung hơi khác nhau. Đỉnh của đường bao xung có thể trùng với đỉnh sóng mang, nhưng nó cũng có thể bị lệch về bất kỳ pha dao động nào. Lượng dịch chuyển này được gọi là pha của xung. Thứ hai, laser khóa mode phát ra chuỗi xung với tần suất rất đều, gọi là tần số lặp. Phổ tần số của chuỗi xung này không tạo ra một dải liên tục quanh tần số sóng mang mà bị phân chia thành nhiều tần số rời rạc. Vẽ phổ này, ta sẽ thấy nó giống răng của một chiếc lược, cách đều chính xác theo tần số lặp của laser.