Une nouvelle technique améliore les performances des peignes à double fréquence optique

Une nouvelle technique qui pourrait considérablement améliorer la précision des mesures de temps et de distance effectuées à l'aide de peignes à double fréquence optique a été développée par des chercheurs aux États-Unis et au Canada. Par le réglage dynamique d'un des peignes, Emilie Caldwell et des collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST) à Boulder, Colorado et Octosig Consulting à Québec ont rendu la technique beaucoup plus efficace.

Démontré pour la première fois au tournant du millénaire, le peigne de fréquence optique a amélioré la précision des mesures de temps et de distance. Un peigne peut être créé à l'aide d'un laser qui émet des impulsions ultra-courtes à intervalles réguliers. Le spectre de fréquence des impulsions présente des pics nets et régulièrement espacés, ce qui lui donne l'apparence des dents d'un peigne.

Pour mesurer le temps et la distance, les impulsions du peigne sont réfléchies par un objet distant. La lumière réfléchie est alors combinée à un deuxième peigne, qui a des impulsions légèrement retardées par rapport au premier peigne. En mesurant l'alignement relatif des deux peignes, le temps de retour du premier peigne - et donc la distance à l'objet réfléchissant - peut être déterminé avec une très grande précision.

Peu de chevauchement

Cependant, un inconvénient important de cette technique est que la longueur des impulsions est beaucoup plus courte que les intervalles entre les impulsions. Par conséquent, il arrive souvent qu'il y ait peu de chevauchement entre l'impulsion réfléchie et l'impulsion retardée. Cela signifie que les mesures reposent parfois sur la mesure de très petits nombres de photons, ce qui réduit la précision et gaspille une grande partie de la lumière réfléchie. Il s'agit d'un problème particulièrement pressant pour les applications de détection en dehors du laboratoire, où la lumière dans le premier peigne est déjà atténuée lorsqu'elle parcourt de longues distances vers et depuis l'objet cible.

Pour surmonter ce problème, l'équipe de Caldwell a utilisé un contrôleur numérique pour suivre et contrôler la synchronisation de l'impulsion dans le deuxième peigne avec une précision de 2 as. Cela leur a permis de verrouiller le deuxième peigne sur le premier, garantissant que les impulsions arrivent au détecteur en même temps. De ce fait, tous les photons du premier peigne peuvent potentiellement être utilisés dans une mesure.

Cette innovation a permis à l'équipe de prendre ses mesures près de la limite quantique - une limite fondamentale de la précision de la mesure imposée par les fluctuations quantiques. Un autre avantage du système est que son utilisation efficace des photons signifie qu'il peut fonctionner à une puissance beaucoup plus faible - ne nécessitant que 0.02% des photons utilisés par les systèmes précédents pour les mêmes résultats.

En conséquence, l'approche de l'équipe pourrait offrir de nouvelles opportunités passionnantes pour détecter des opportunités en dehors du laboratoire. Cela inclut la mesure des distances avec des objets lointains tels que des satellites en orbite avec une précision nanométrique.

La recherche est décrite dans Nature.