En ny teknik, der i høj grad kunne forbedre nøjagtigheden af de tids- og afstandsmålinger, der er foretaget ved hjælp af dobbelte optiske frekvenskamme, er blevet udviklet af forskere i USA og Canada. Ved den dynamiske justering af en af kammene, Emily Caldwell og kolleger ved National Institute of Standards and Technology (NIST) i Boulder, Colorado og Octosig Consulting i Quebec City har gjort teknikken meget mere effektiv.
Først demonstreret ved årtusindskiftet, har den optiske frekvenskam øget nøjagtigheden af tids- og afstandsmålinger. En kam kan laves ved hjælp af en laser, der udsender ultrakorte impulser med jævne mellemrum. Frekvensspektret af impulserne har skarpe, jævnt fordelte toppe - hvilket giver det udseende af tænderne på en kam.
For at måle tid og afstand reflekteres kamimpulser fra et fjernt objekt. Det reflekterede lys kombineres derefter med en anden kam, som har pulser, der er lidt forsinkede i forhold til den første kam. Ved at måle den relative justering af de to kamme, kan returtiden for den første kam – og dermed afstanden til det reflekterende objekt – bestemmes med meget høj nøjagtighed.
Lidt overlap
En vigtig mangel ved denne teknik er imidlertid, at længden af pulserne er meget kortere end mellemrummene mellem pulserne. Derfor er det ofte sådan, at der er lidt overlap mellem den reflekterede puls og den forsinkede puls. Det betyder, at målinger nogle gange er afhængige af måling af meget små antal fotoner - hvilket reducerer nøjagtigheden og spilder en stor del af det reflekterede lys. Dette er et særligt presserende problem for registrering af applikationer uden for laboratoriet, hvor lyset i den første kam allerede er dæmpet, når det rejser lange afstande til og fra målobjektet.
Ultrasensitiv frekvenskam alkometer retter sig mod sygdomsdiagnose i realtid
For at overvinde dette problem brugte Caldwells team en digital controller til at spore og kontrollere timingen af pulsen i den anden kam til en nøjagtighed på 2 som. Dette gjorde det muligt for dem at låse den anden kam til den første og sikre, at impulserne ankommer til detektoren på samme tid. Som følge heraf kan alle fotonerne i den første kam potentielt bruges i en måling.
Denne innovation gjorde det muligt for teamet at tage deres målinger tæt på kvantegrænsen - en grundlæggende grænse for nøjagtigheden af målingen, som pålægges af kvanteudsving. En anden fordel ved systemet er, at dets effektive brug af fotoner betyder, at det kan køres med meget lavere effekt - og det kræver kun 0.02% af de fotoner, der blev brugt af tidligere systemer for de samme resultater.
Som et resultat heraf kunne teamets tilgang tilbyde spændende nye muligheder for at fornemme muligheder uden for laboratoriet. Dette inkluderer måling af afstande til fjerne objekter, såsom satellitter, der kredser om, med en præcision inden for nanometer.
Forskningen er beskrevet i Natur.
