En ny teknikk som kan forbedre nøyaktigheten av tids- og avstandsmålinger som er gjort ved bruk av doble optiske frekvenskammer, er utviklet av forskere i USA og Canada. Ved dynamisk justering av en av 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 mye mer effektiv.
Den optiske frekvenskammen ble først demonstrert ved årtusenskiftet og har økt nøyaktigheten av tids- og avstandsmålinger. En kam kan lages ved hjelp av en laser som sender ut ultrakorte pulser med jevne mellomrom. Frekvensspekteret til pulsene har skarpe, jevnt fordelte topper – noe som gir det utseendet som tennene til en kam.
For å måle tid og avstand, reflekteres kampulser fra et fjerntliggende objekt. Det reflekterte lyset kombineres så med en andre kam, som har pulser som er litt forsinket i forhold til den første kammen. Ved å måle den relative justeringen av de to kammene, kan returtiden til den første kammen – og dermed avstanden til det reflekterende objektet – bestemmes med svært høy nøyaktighet.
Lite overlapping
En viktig mangel ved denne teknikken er imidlertid at lengden på pulsene er mye kortere enn gapene mellom pulsene. Derfor er det ofte slik at det er liten overlapping mellom den reflekterte pulsen og den forsinkede pulsen. Dette betyr at målinger noen ganger er avhengige av å måle svært små antall fotoner – redusere nøyaktigheten og sløse bort en stor del av det reflekterte lyset. Dette er et spesielt presserende problem for sensing av applikasjoner utenfor laboratoriet, der lyset i den første kammen allerede er dempet når det reiser lange avstander til og fra målobjektet.
Ultrasensitiv frekvenskam alkometer retter seg mot sanntids sykdomsdiagnose
For å overvinne dette problemet brukte Caldwells team en digital kontroller for å spore og kontrollere timingen av pulsen i den andre kammen til en nøyaktighet på 2 as. Dette tillot dem å låse den andre kammen til den første, og sikre at pulsene kommer til detektoren samtidig. Som et resultat kan alle fotonene i den første kammen potensielt brukes i en måling.
Denne innovasjonen tillot teamet å ta målingene sine nær kvantegrensen – en grunnleggende grense for nøyaktigheten til målingen som pålegges av kvantesvingninger. En annen fordel med systemet er at dets effektive bruk av fotoner betyr at det kan kjøres med mye lavere effekt - krever bare 0.02% av fotonene brukt av tidligere systemer for de samme resultatene.
Som et resultat kan teamets tilnærming tilby spennende nye muligheter for å oppdage muligheter utenfor laboratoriet. Dette inkluderer måling av avstander til fjerne objekter som satellitter i bane rundt nanometers presisjon.
Forskningen er beskrevet i Natur.
