Onderzoekers in de VS en Canada hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die de nauwkeurigheid van de tijd- en afstandsmetingen met dubbele optische frequentiekammen aanzienlijk kan verbeteren. Door de dynamische aanpassing van een van de kammen, Emily Caldwell en collega's van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado en Octosig Consulting in Quebec City hebben de techniek veel efficiënter gemaakt.
De optische frequentiekam, die voor het eerst werd gedemonstreerd rond de millenniumwisseling, heeft de nauwkeurigheid van tijd- en afstandsmetingen vergroot. Een kam kan worden gemaakt met behulp van een laser die met regelmatige tussenpozen ultrakorte pulsen uitzendt. Het frequentiespectrum van de pulsen heeft scherpe, gelijkmatig verdeelde pieken, waardoor het lijkt op de tanden van een kam.
Om tijd en afstand te meten, worden kampulsen gereflecteerd door een ver verwijderd object. Het gereflecteerde licht wordt vervolgens gecombineerd met een tweede kam, die pulsen heeft die enigszins vertraagd zijn ten opzichte van de eerste kam. Door de relatieve uitlijning van de twee kammen te meten, kan de terugkeertijd van de eerste kam – en daarmee de afstand tot het reflecterende object – zeer nauwkeurig worden bepaald.
Weinig overlap
Een belangrijke tekortkoming van deze techniek is echter dat de lengte van de pulsen veel korter is dan de gaten tussen de pulsen. Daarom is het vaak zo dat er weinig overlap is tussen de gereflecteerde puls en de vertraagde puls. Dit betekent dat metingen soms berusten op het meten van zeer kleine aantallen fotonen, wat de nauwkeurigheid vermindert en een groot deel van het gereflecteerde licht verspilt. Dit is een bijzonder urgent probleem voor detectietoepassingen buiten het laboratorium, waar het licht in de eerste kam al is verzwakt omdat het lange afstanden van en naar het doelobject aflegt.
Ultrasensitieve frequentiekam breathalyser richt zich op real-time ziektediagnose
Om dit probleem op te lossen, gebruikte het team van Caldwell een digitale controller om de timing van de puls in de tweede kam te volgen en te regelen met een nauwkeurigheid van 2 as. Hierdoor konden ze de tweede kam aan de eerste vergrendelen, zodat de pulsen tegelijkertijd bij de detector aankwamen. Hierdoor kunnen alle fotonen in de eerste kam in potentie gebruikt worden in een meting.
Deze innovatie stelde het team in staat om hun metingen dicht bij de kwantumlimiet te doen - een fundamentele limiet op de nauwkeurigheid van de meting die wordt opgelegd door kwantumfluctuaties. Een ander voordeel van het systeem is dat het efficiënte gebruik van fotonen betekent dat het op een veel lager vermogen kan werken - er is slechts 0.02% van de fotonen nodig die door eerdere systemen werden gebruikt voor dezelfde resultaten.
Als gevolg hiervan zou de aanpak van het team opwindende nieuwe kansen kunnen bieden voor het detecteren van kansen buiten het lab. Dit omvat het meten van afstanden tot verre objecten, zoals satellieten in een baan tot op nanometer nauwkeurig.
Het onderzoek is beschreven in NATUUR.
