Forscher in den USA und Kanada haben eine neue Technik entwickelt, die die Genauigkeit der Zeit- und Entfernungsmessungen, die mit dualen optischen Frequenzkämmen durchgeführt werden, erheblich verbessern könnte. Durch die dynamische Verstellung eines der Kämme, Emily Caldwell und Kollegen am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, und Octosig Consulting in Quebec City haben die Technik viel effizienter gemacht.
Erstmals um die Jahrtausendwende demonstriert, hat der optische Frequenzkamm die Genauigkeit von Zeit- und Entfernungsmessungen gesteigert. Mit einem Laser, der in regelmäßigen Abständen ultrakurze Pulse aussendet, lässt sich ein Kamm erzeugen. Das Frequenzspektrum der Impulse hat scharfe, gleichmäßig verteilte Spitzen – was ihm das Aussehen der Zähne eines Kamms verleiht.
Um Zeit und Entfernung zu messen, werden Kammimpulse von einem entfernten Objekt reflektiert. Das reflektierte Licht wird dann mit einem zweiten Kamm kombiniert, der gegenüber dem ersten Kamm geringfügig verzögerte Impulse aufweist. Durch Messung der relativen Ausrichtung der beiden Kämme lässt sich die Rücklaufzeit des ersten Kamms – und damit die Entfernung zum reflektierenden Objekt – mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen.
Wenig Überlappung
Ein wichtiger Nachteil dieser Technik besteht jedoch darin, dass die Länge der Impulse viel kürzer ist als die Lücken zwischen den Impulsen. Daher ist es oft der Fall, dass zwischen dem reflektierten Impuls und dem verzögerten Impuls eine geringe Überlappung besteht. Dies bedeutet, dass Messungen manchmal auf die Messung einer sehr kleinen Anzahl von Photonen angewiesen sind – was die Genauigkeit verringert und einen großen Teil des reflektierten Lichts verschwendet. Dies ist ein besonders dringendes Problem für Sensoranwendungen außerhalb des Labors, wo das Licht im ersten Kamm bereits gedämpft wird, wenn es lange Strecken zum und vom Zielobjekt zurücklegt.
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Um dieses Problem zu lösen, verwendete Caldwells Team einen digitalen Controller, um das Timing des Pulses im zweiten Kamm mit einer Genauigkeit von 2 As zu verfolgen und zu steuern. Dadurch konnten sie den zweiten Kamm mit dem ersten verriegeln und so sicherstellen, dass die Impulse gleichzeitig am Detektor ankommen. Dadurch können potenziell alle Photonen im ersten Kamm für eine Messung genutzt werden.
Diese Innovation ermöglichte es dem Team, ihre Messungen nahe an der Quantengrenze durchzuführen – eine grundlegende Grenze für die Genauigkeit der Messung, die durch Quantenfluktuationen auferlegt wird. Ein weiterer Vorteil des Systems besteht darin, dass seine effiziente Nutzung von Photonen bedeutet, dass es mit viel geringerer Leistung betrieben werden kann – es werden nur 0.02 % der Photonen benötigt, die von früheren Systemen für die gleichen Ergebnisse verwendet werden.
Infolgedessen könnte der Ansatz des Teams aufregende neue Möglichkeiten bieten, Möglichkeiten außerhalb des Labors zu erkennen. Dazu gehört die Messung von Entfernungen zu weit entfernten Objekten wie Satelliten im Orbit auf den Nanometer genau.
Die Forschung ist beschrieben in Natur.
