频率梳是物理学中最有秩序的物体之一：它是一台激光器，其光谱是一架频率完全等距的”梯子”，精度足以充当光学标尺，约翰·霍尔（John Hall）和特奥多尔·亨施（Theodor Hansch）正是凭借它分享了2005年诺贝尔物理学奖。大多数频率梳需要近乎完美的谐振腔或精心锁模的激光器。渥太华大学的一个团队如今却从相反的原料出发造出了一台。他们的装置依靠瑞利散射，也就是光在玻璃内部随机密度涨落上的微弱反射，工程师们通常要耗费整个职业生涯去抑制这种效应。在他们的设计中，这种无序并不与频率梳对抗，它就是频率梳的第二面镜子。
这项研究由Da-Peng Zhou、Gerard Tatel、Yuan Wang、Paul S. Westbrook、Liang Chen和Xiaoyi Bao共同完成，8月4日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上，是随机克尔光学频率梳的首次演示，作者在论文中把它描述为随机激光器在光谱合成上的对应物。随机激光器由V·S·列托霍夫（V. S. Letokhov）于1966年提出，它用无序介质中的多重散射取代传统激光器的两面镜子。渥太华团队的装置在频域上做了类似的事，把”经由无序的反馈”这一概念用于频率梳的产生。
少了一面镜子的谐振腔
传统克尔频率梳的工作原理，是把连续波激光困在一个微小的环形谐振腔中，借克尔非线性通过四波混频把一个频率变成许多频率。谐振腔必须几乎无损耗，品质因数要超过一百万，光才能在其中循环足够长的时间，让新频率的级联逐渐建立起来。渥太华的装置几乎完全放弃了这一要求。
这里的谐振腔是半开放的。一端是光纤布拉格光栅，一种刻在光纤里的窄带反射器；另一端完全没有镜子，只有一段1 km长的光纤，其瑞利散射经紫外曝光处理后，比标准单模光纤增强了约13 dB。一台波长为1550 nm的脉冲泵浦激光器以150 kHz的重复频率向光纤发送10至60 ns的脉冲，峰值功率约5 W。
其中的机理很微妙。脉冲传播时，调制不稳定性，也就是让强光在光纤中碎裂的同一种非线性过程，会在新频率上自发产生微弱的边带。这些光中有一小部分会被光纤的随机密度涨落向后散射。光纤布拉格光栅滤出这部分散射光并把它反射回光纤，在那里与下一束迎面而来的泵浦脉冲相遇。这次相遇会在该脉冲上留下非常微弱的周期性调制，强度比泵浦功率低约45 dB。这一丝信号已经足够。调制不稳定性在传播过程中会放大并压缩这段微弱调制，把正弦波重塑成一串皮秒级脉冲。第二级光纤，一段5.25 km的色散递减光纤，把脉冲进一步压缩到约390 fs，光谱相应展宽到约100 nm。
最终得到的频率梳谱线间距约1 nm，团队把泵浦波长在调制不稳定性增益带内调整，可使谱线间距在约0.3 nm的范围内调谐。孤子重复频率可在120至160 GHz之间调节，输出还能以泵浦频率进行门控开关。
什么才配叫”梳”
名称本身成了一场科学争论。在同行评审中，一位审稿人质疑”梳”这一叫法，理由是梳传统上意味着一组相位锁定的相干谱线，并认为这种输出应当改称级联四波混频源或孤子脉冲串发生器。这一异议并非吹毛求疵：如果各谱线之间没有锁定相位，这个装置就只是一堆离散的波长，当不了标尺。
作者用一次拍频实验作答。他们滤出单独的梳齿谱线，把每一条与一台线宽为5 kHz的外部连续波激光器混频，并在200 µs的时间窗口内记录拍频信号，该窗口涵盖20多个输出脉冲。全部20个脉冲都产生了相同的拍频音，而且这一表现在各条梳齿谱线上保持一致，证明谱线之间存在固定的相位关系，脉冲与脉冲之间也具有相干性。作者指出，这项测量无法分辨细致的频率噪声，但它确立了”梳”这个字所要求的恒定相位关系。他们保留了这一名称。
坦白的局限
这个装置有实实在在的限制，作者对此直言不讳。输出是一串被门控的脉冲而非连续光，因为用的是脉冲泵浦；门控频率受限于瑞利增强光纤的长度，光纤中同一时刻只能有一个泵浦脉冲，否则来自不同位置的散射反馈会相互干涉抵消。长期稳定性主要受环境影响。光栅和瑞利光谱都会随温度变化而漂移，速率约1 GHz/K；在一小时的测量中，梳齿谱线以约360 MHz的标准差漂移，单条谱线的功率波动约8.5%。团队把光纤和光栅放进泡沫塑料箱中保温，以控制这些效应，并估计由此造成的孤子脉冲串定时抖动约为21 fs。光谱带宽目前受限于能送入压缩级的功率，停留在约100 nm附近，转换效率也不高。
这个装置在稳定性上失去的，在简单性上补了回来。它不需要反馈控制环路，不需要外部调制器，也不需要额外的泵浦源，而且完全由标准光纤元件搭建。作者认为，这种频率梳可以服务于那些能容忍门控输出的应用，包括频率合成、微波光子学和高重复频率脉冲产生；他们还指出，分布式光纤传感是一个特别契合的用途，这类传感用孤子脉冲串作探针，定位光纤沿线各处的扰动。他们论证说，只要色散工程做得更好，应当能实现100 fs以下的脉冲和相应更宽的光谱。
更深一层的意义在概念上。五十年来，随机激光器已经表明，只要有足够的放大，秩序就能从无序中涌现。渥太华的频率梳则表明，同样的原理也作用于一台精密仪器的光谱：这件测量工具的标志性特征，就是它用玻璃自身的缺陷造出了自己的谐振腔。
婷 翻译
来源： Zhou, D.-P., Tatel, G., Wang, Y., Westbrook, P. S., Chen, L. & Bao, X. “All-fiber random Kerr optical frequency combs.” Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-76335-4.