德国柏林 马克斯·玻恩非线性光学和短脉冲光谱学研究所Max Born Institute (MBI)新所长娜塔莉·皮克（Nathalie Picqué），分享了光频梳和双梳光谱学知识，以及成为一名成功科学家的黄金秘诀。
光学·频率梳
What are frequency combs?
频率梳Frequency combs是由均匀间隔的窄激光线组成光谱，并是相位相干的。在20世纪90年代后期，在频率空间中，光学频率梳提供测量较大的光学频率差和/或直接链接微波和光学频率的标尺，彻底改变了时间和频率计量。这种光梳使精密激光光谱学、基本物理测试成为可能，并为光学时钟，提供了长期缺失的发条clockwork机制。今日，基于锁模激光器的桌面仪器，已经成为商业可用的，并且频率梳技术的许多研究，已经转移到探索产生频率梳的新方法、访问新的光谱区域、利用集成光学器件，使设备小型化以及探索新的参数范围。频率梳的应用，也远远超出了最初目的。同时已成为阿秒科学、分子光谱学、天文摄谱仪校准、测距和低噪声微波产生等研究领域的关键。令人感兴趣的新应用不断涌现，包括密集光数据传输、量子技术、用于光学神经网络的光子处理器、三维成像和生物传感。频率梳最初是为频率计量而设计的，现在正在促进光学、光子学和物理学等许多领域的研究，在提高精度测量方面，频率梳显示出了令人兴奋的潜力。
频率梳·干涉测量法
What is frequency comb interferometry?
双梳光谱·干涉测量
What is dual-comb interferometry? What is dual-comb spectroscopy?
频率梳最成功的应用之一是双梳干涉测量法dual-comb interferometry。在越来越多的领域（如光谱学、距离计量和全息术）双梳干涉仪优于最先进的设备，提供独特的功能，如频率测量、准确度、精度和速度。干涉仪可由两个线间距略有不同的频率梳组成。来自两个频率梳的两个光束，在分束器处组合，并且在快速光电探测器上，测量频率梳的干涉作为时间函数。在时域中，来自一个激光器的脉冲，以从脉冲对到脉冲对自动增加的时间间隔，通过来自第二激光器的脉冲。通过这种方式，在没有移动部件的情况下，对光学延迟进行重复采样。就像采样示波器一样，在时间上，拉伸了周期性的光学波形，并且可被电子记录和数字处理。在频域中，成对的光学梳状线（每个梳状线一个）在检测器上，产生射频拍频音符，从而在射频域中，形成频率梳。因此，光频被下转换变频为射频radio frequencie。由于没有移动部件，双梳状干涉仪引起兴趣的首要特征之一是，进行快速测量的能力，灵敏度通过使用相干光源而进一步增强。
对于宽带光谱学，双梳干涉仪带来了用窄宽度激光线询问样品的显著特征，从而使得仪器线形对小分子中多普勒展宽跃迁的贡献，可以忽略不计，并将频率标度校准到原子钟的精度。虽然主要探索了线性吸收光谱学，但是基于锁模激光器的频率梳合成器，可在样品中诱导非线性现象的强超短脉冲，为非线性光谱学和多维光谱学，开辟了新的可能性。双梳干涉仪的另一个成功应用是，距离测量和测距。双梳方案结合了飞行时间和干涉测量方法，以在扩展的模糊范围上，提供绝对距离测量。
最近令人兴奋的趋势是用相机传感器取代单个光电探测器。可同时测量与检测器像素一样多的光谱。这导致了高光谱成像。双梳干涉仪，通过同时记录数千个全息图（每个梳线一个），从而推进三维成像。但双梳状干涉仪，还有更多的功能。双梳干涉仪与任何其他类型的干涉仪，有着根本的不同：直接频率测量，对分辨率没有几何限制。这意味着有望成为精密光谱学的工具，正如几年前在无多普勒双光子激发实验中所展示的那样。还可以产生集成在芯片上的非常紧凑的仪器。
工作波长·双梳光谱
What wavelengths are they operating in? Why in these wavelength regions?
最初，在近红外范围内，开发了基于钛-蓝宝石振荡器的频率梳发生器，随后不久开发了掺铒和掺镱光纤飞秒激光器，这种交钥匙操作和在激光腔内安装非常快速的致动器。掺铒飞秒激光器已经得以广泛采用，并且与光通信中的应用高度相关。在通信领域，最新的基于微谐振器的克尔梳技术，有望实现非常紧凑的器件，完全集成在光子芯片上。这些光频梳还具有很高的重复频率，以应用于人工智能的最新领域，例如测距或全息摄影。
然而，许多应用需要在其他光谱区域中发射的梳状物。例如，在分子传感中，中红外“分子指纹”区域是灵敏检测相关分子种类的关键。由于过去十年中，许多研究集中在中红外频率梳，现在可易于在低至5µm波长下使用。对于中红外和太赫兹的较长波长，以及可见光的较短波长，该技术仍在开发中。
尽管有几个课题组进行了研究实验，但公平地说，由于产生足够高功率的低噪声宽带频率梳的突出了仪器挑战，在很大程度上，紫外区仍尚未探索，但由于光频梳对频率计量学和宽带分子光谱学的影响，越来越多团队正在研究这一主题。紫外线发射光梳的双梳光谱，首次实验于2024年发表。这正在成为非常活跃的热点领域，其中正在探索各种方法，因此可以期待，在未来几年取得积极进展。
首要用途·双梳光谱
What is the first use of dual-comb spectroscopy?
双梳光谱学的首次使用是，用于实验室光谱学。极大地改善了分子参数的测量，如谱线位置、谱线强度和谱线形状。还观察了不稳定物质的动力学。在原位甚至便携式气体传感器方面，也取得了相当大的进展，应用范围从温室气体监测到工业过程控制或泄漏检测。尽管如此，双梳光谱学的应用，仍处于起步阶段，因为大多数出版物，仍专注于探索创新的测量方案。这项技术尚未充分发挥潜力，光学和光子学的创新发展，将继续下去。探索双梳光谱学所能达到的精度，以及灵敏度的极限，以成为一种揭示一些新物理的工具。
局限性·双梳光谱
Are there any limitations in dual-comb spectroscopy?
没有光谱技术是通用的。双梳光谱的基本限制是灵敏度和测量时间之间权衡。由于信噪比与梳状线数量的倒数成比例，因此在宽光谱带宽上，实现高灵敏度需要较长的测量时间。相比于传统的最先进光谱技术，确定双梳光谱的具体优势，可有助于确定双梳方法，提供优越性能的“最佳点”。技术限制仍然是，易于访问飞秒激光不直接发射的光谱区域，例如紫外线。另一个技术限制是具有非常高或非常低重复频率的宽带频率梳可用性，以解决新的应用。
然而，致力于双梳光谱学研究，非常有创意，也非常活跃，预计新的想法和新的方案，将很快克服技术限制。这些应用范围，从精密光谱学——在受控条件下，观察几个原子或分子，其中由于原子间和原子间-光场相互作用引起的系统效应被最小化——到光损伤、高散射生物医学组织和远程大气探测。未来应用当然是，在真空和极紫外中的短波长双梳光谱的发展，这将为分子中的高激发态和光-物质相互作用中的非平衡过程，提供独特的见解。
商用挑战·双梳光谱
What are the challenges of making the dual-comb spectroscopy practical and sustainable?
双梳光谱学仍然是一种昂贵而复杂的技术，需要交叉学科的技能。成本降低和技术简化，正在发生，但进展相对缓慢。到目前为止，双梳光谱学的应用是惊人的，并且具有非常高的技术质量，但还不能对光学和光子学知之甚少的其他领域使用。但高质量的光谱学仪器已经非常普遍，也许双梳光谱学仍然缺少广泛使用的市场，并证明大公司投资开发用户友好的仪器是合理的，例如，生物学家或化学家可以使用。
从德国加兴的马克斯·普朗克量子光学研究所搬到了德国柏林MBI。觉得这次搬迁怎么样？
事实上，还在搬迁中。目前已经在柏林就职，一些实验已经在这里开始，但加兴的实验室要到秋天才会搬迁，所以此刻感觉自己像是在龙卷风中。柏林提供的极好的工作条件充满热情。有了更多的空间、员工职位和资金，现在能够从事比以前更多的项目。虽然可能不能完全继续自己的风格，并且与一小群研究生密切合作，还参与一两个实验的每一个细节，但将继续自己动手实验工作，并将继续使用最新的技术。在实验室里探索新的想法，将继续花时间在实验室里，即兴创作光学实验。MBI和柏林地区的新科学环境感到非常兴奋。这里有许多优秀的团队，这提供了令人兴奋的合作机会。在马克斯·普朗克量子光学研究所工作了15年，在那里学到了很多东西。很荣幸能在这样杰出的研究所工作，但现在展望未来，对未来新的科学挑战感到兴奋，并期待着在MBI建立一个研究部门，探索新的见解，做出新的发现。也希望能够更好地支持和鼓励年轻女性，从事光学和光子学的学术事业。
给青年科学家建议
You are a very successful figure in photonics community. What is your advice to young students and researchers?
一直热衷于建造新仪器，如果能提出新的仪器能力，就会发现一些新的物理现象。总是试图走出自己的舒适区，去学习新的东西，探索新的想法。光学和光子学一直是这方面的理想平台，因为尽管实验很复杂，技术性很强，但足够简单，可以轻松地创新和探索新的见解。当开始写博士论文时，选择了一个过时的领域，因为觉得不跟随主流更容易。把自己放在一个会想出一些原创东西的情况下。
时尚是由人创造的，但如果从不同的角度来看，任何研究领域都有可能成为突破的舞台。
从那时起，研究已经取得了很大进展，但不确定是否会建议年轻的研究人员现在也这样做。对年轻物理学家的建议是，找到热爱的东西，然后投入其中。可以而且应该是有趣的。看看以前没有人看过的地方，敢于尝试、失败和反弹。腾出时间来思考，深入理解正在做的物理，想出正在创造的概念的简单——但不是简单化——的图片，学会清晰和严谨，发展写作技巧。不要期待即时的满足。无论经历了什么，都要公平竞争。其余的是一个很难达成的平衡。努力工作，但要保持健康。
要有创意，但要现实。Be creative but realistic.
要有研发的雄心，但要循序渐进。Be ambitious to make discoveries but be gradual.
自我激励，有决心，但要听取建议，接受积极的批评。Be self-motivated and determined but listen to advice and take positive criticism.
专注但思想开放。Be focused but open-minded.
在细节上下功夫，但要着眼于大局。Work on the details but keep an eye on the big picture.
独立思考，但要找到一个鼓励你、让你成长的环境。Think independently but find an environment that encourages you and allows you to grow.
专注于创造新的东西，但要注意别人已经做过或正在做的，这样才能识别新的想法，而不是浪费时间重复或完善已经做过的。
对自己的成就要谦虚，对他人的成就要慷慨。Be humble about your achievements and generous when recognizing those of others。
对自己要求高，对别人宽容Be demanding of yourself and tolerant of others。
