Naukowcy z USA i Kanady opracowali nową technikę, która może znacznie poprawić dokładność pomiarów czasu i odległości dokonywanych za pomocą grzebieni o podwójnej częstotliwości optycznej. Dzięki dynamicznej regulacji jednego z grzebieni, Emily Caldwell i współpracownicy z National Institute of Standards and Technology (NIST) w Boulder w Kolorado oraz Octosig Consulting w Quebec City sprawili, że technika ta stała się znacznie bardziej wydajna.
Optyczny grzebień częstotliwości, zademonstrowany po raz pierwszy na przełomie tysiącleci, zwiększył dokładność pomiarów czasu i odległości. Grzebień można stworzyć za pomocą lasera, który emituje ultrakrótkie impulsy w regularnych odstępach czasu. Widmo częstotliwości impulsów ma ostre, równomiernie rozmieszczone piki – nadając mu wygląd zębów grzebienia.
Aby zmierzyć czas i odległość, impulsy grzebieniowe odbijają się od odległego obiektu. Odbite światło jest następnie łączone z drugim grzebieniem, którego impulsy są nieco opóźnione w stosunku do pierwszego grzebienia. Mierząc względne ustawienie dwóch grzebieni, czas powrotu pierwszego grzebienia – a tym samym odległość do odbijającego obiektu – można określić z bardzo dużą dokładnością.
Małe nakładanie się
Jednak istotną wadą tej techniki jest to, że długość impulsów jest znacznie krótsza niż przerwy między impulsami. Dlatego często zdarza się, że impuls odbity i impuls opóźniony pokrywają się w niewielkim stopniu. Oznacza to, że pomiary czasami polegają na pomiarze bardzo małej liczby fotonów – zmniejszając dokładność i marnując dużą część odbitego światła. Jest to szczególnie palący problem w zastosowaniach wykrywania poza laboratorium, gdzie światło w pierwszym grzebieniu jest już osłabione, gdy pokonuje duże odległości do i od obiektu docelowego.
Ultraczuły alkomat grzebieniowy pozwala na diagnostykę chorób w czasie rzeczywistym
Aby rozwiązać ten problem, zespół Caldwella użył cyfrowego kontrolera do śledzenia i kontrolowania taktowania impulsu w drugim grzebieniu z dokładnością do 2 as. To pozwoliło im połączyć drugi grzebień z pierwszym, zapewniając, że impulsy docierają do detektora w tym samym czasie. W rezultacie wszystkie fotony z pierwszego grzebienia mogą potencjalnie zostać użyte w pomiarze.
Ta innowacja pozwoliła zespołowi wykonać pomiary blisko granicy kwantowej – fundamentalnego ograniczenia dokładności pomiaru, narzuconego przez fluktuacje kwantowe. Kolejną zaletą systemu jest to, że efektywne wykorzystanie fotonów oznacza, że może on działać przy znacznie niższej mocy – wymagając jedynie 0.02% fotonów wykorzystywanych przez poprzednie systemy do uzyskania tych samych wyników.
W rezultacie podejście zespołu może zaoferować nowe, ekscytujące możliwości wykrywania możliwości poza laboratorium. Obejmuje to pomiar odległości do odległych obiektów, takich jak orbitujące satelity, z dokładnością do nanometra.
Badania opisano w Natura.
