Μια νέα τεχνική που θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά την ακρίβεια των μετρήσεων χρόνου και απόστασης που πραγματοποιούνται με χρήση χτενών διπλής οπτικής συχνότητας αναπτύχθηκε από ερευνητές στις ΗΠΑ και τον Καναδά. Με τη δυναμική ρύθμιση μιας από τις χτένες, Έμιλι Κάλντγουελ και οι συνάδελφοι του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Boulder του Κολοράντο και η Octosig Consulting στο Κεμπέκ Σίτι έχουν κάνει την τεχνική πολύ πιο αποτελεσματική.
Η οπτική χτένα συχνότητας που αποδείχθηκε για πρώτη φορά στο γύρισμα της χιλιετίας, ενίσχυσε την ακρίβεια των μετρήσεων χρόνου και απόστασης. Μια χτένα μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ που εκπέμπει εξαιρετικά σύντομους παλμούς σε τακτά χρονικά διαστήματα. Το φάσμα συχνοτήτων των παλμών έχει αιχμηρές, ομοιόμορφα κατανεμημένες κορυφές – δίνοντάς του την εμφάνιση των δοντιών μιας χτένας.
Για τη μέτρηση του χρόνου και της απόστασης, οι παλμοί της χτένας αντανακλώνται από ένα μακρινό αντικείμενο. Το ανακλώμενο φως στη συνέχεια συνδυάζεται με μια δεύτερη χτένα, η οποία έχει παλμούς που καθυστερούν ελαφρώς σε σχέση με την πρώτη χτένα. Μετρώντας τη σχετική ευθυγράμμιση των δύο χτενών, ο χρόνος επιστροφής της πρώτης χτένας – και επομένως η απόσταση από το ανακλώμενο αντικείμενο – μπορεί να προσδιοριστεί με πολύ υψηλή ακρίβεια.
Μικρή επικάλυψη
Ωστόσο, ένα σημαντικό μειονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι ότι το μήκος των παλμών είναι πολύ μικρότερο από τα κενά μεταξύ των παλμών. Επομένως, συμβαίνει συχνά να υπάρχει μικρή επικάλυψη μεταξύ του ανακλώμενου παλμού και του καθυστερημένου παλμού. Αυτό σημαίνει ότι οι μετρήσεις μερικές φορές βασίζονται στη μέτρηση πολύ μικρών αριθμών φωτονίων – μειώνοντας την ακρίβεια και σπαταλώντας ένα μεγάλο μέρος του ανακλώμενου φωτός. Αυτό είναι ένα ιδιαίτερα πιεστικό πρόβλημα για εφαρμογές ανίχνευσης εκτός εργαστηρίου, όπου το φως στην πρώτη χτένα είναι ήδη εξασθενημένο καθώς ταξιδεύει μεγάλες αποστάσεις από και προς το αντικείμενο στόχο.
Το αλκοτέστ με χτένα με υπερευαίσθητη συχνότητα στοχεύει τη διάγνωση ασθενειών σε πραγματικό χρόνο
Για να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα, η ομάδα του Caldwell χρησιμοποίησε έναν ψηφιακό ελεγκτή για να παρακολουθεί και να ελέγχει τον χρονισμό του παλμού στη δεύτερη χτένα με ακρίβεια 2 ως. Αυτό τους επέτρεψε να κλειδώσουν τη δεύτερη χτένα με την πρώτη, διασφαλίζοντας ότι οι παλμοί φθάνουν στον ανιχνευτή ταυτόχρονα. Ως αποτέλεσμα, όλα τα φωτόνια στην πρώτη χτένα μπορούν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν σε μια μέτρηση.
Αυτή η καινοτομία επέτρεψε στην ομάδα να λάβει τις μετρήσεις της κοντά στο κβαντικό όριο – ένα θεμελιώδες όριο στην ακρίβεια της μέτρησης που επιβάλλεται από τις κβαντικές διακυμάνσεις. Ένα άλλο πλεονέκτημα του συστήματος είναι ότι η αποτελεσματική χρήση φωτονίων σημαίνει ότι μπορεί να λειτουργήσει με πολύ χαμηλότερη ισχύ – απαιτώντας μόνο το 0.02% των φωτονίων που χρησιμοποιήθηκαν από προηγούμενα συστήματα για τα ίδια αποτελέσματα.
Ως αποτέλεσμα, η προσέγγιση της ομάδας θα μπορούσε να προσφέρει συναρπαστικές νέες ευκαιρίες για την ανίχνευση ευκαιριών έξω από το εργαστήριο. Αυτό περιλαμβάνει τη μέτρηση αποστάσεων από μακρινά αντικείμενα, όπως δορυφόρους σε τροχιά, με ακρίβεια νανομέτρων.
Η έρευνα περιγράφεται στο Φύση.
