Исследователи из США и Канады разработали новый метод, который может значительно повысить точность измерений времени и расстояния с помощью двойных оптических частотных гребенок. Динамической регулировкой одного из гребней, Эмили Колдуэлл и коллеги из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Боулдере, штат Колорадо, и Octosig Consulting в Квебеке сделали этот метод намного более эффективным.
Гребенка оптических частот, впервые продемонстрированная на рубеже тысячелетий, повысила точность измерения времени и расстояния. Гребень можно создать с помощью лазера, который излучает ультракороткие импульсы через равные промежутки времени. Частотный спектр импульсов имеет острые, равномерно расположенные пики, что придает ему вид зубцов гребенки.
Для измерения времени и расстояния импульсы гребенки отражаются от удаленного объекта. Отраженный свет затем объединяется со второй гребенкой, импульсы которой немного задерживаются по сравнению с первой гребенкой. Путем измерения относительного совмещения двух гребенок можно с очень высокой точностью определить время возврата первой гребенки и, следовательно, расстояние до отражающего объекта.
Небольшое перекрытие
Однако важным недостатком этой методики является то, что длина импульсов намного меньше промежутков между импульсами. Поэтому часто бывает так, что между отраженным импульсом и задержанным импульсом имеется небольшое перекрытие. Это означает, что измерения иногда основаны на измерении очень небольшого количества фотонов, что снижает точность и тратит впустую большую часть отраженного света. Это особенно актуальная проблема для сенсорных приложений за пределами лаборатории, где свет в первой гребенке уже ослабляется по мере того, как он проходит большие расстояния к целевому объекту и от него.
Сверхчувствительный частотный гребенчатый алкотестер предназначен для диагностики заболеваний в режиме реального времени.
Чтобы преодолеть эту проблему, команда Колдуэлла использовала цифровой контроллер для отслеживания и управления синхронизацией импульса во второй гребенке с точностью до 2 ас. Это позволило им привязать вторую гребенку к первой, гарантируя, что импульсы поступят на детектор одновременно. В результате все фотоны в первой гребенке потенциально могут быть использованы в измерении.
Это нововведение позволило команде провести свои измерения близко к квантовому пределу — фундаментальному пределу точности измерения, налагаемому квантовыми флуктуациями. Еще одним преимуществом системы является то, что эффективное использование фотонов означает, что она может работать с гораздо меньшей мощностью — для получения тех же результатов требуется всего 0.02% фотонов, используемых предыдущими системами.
В результате подход команды может предложить новые захватывающие возможности для обнаружения возможностей за пределами лаборатории. Это включает в себя измерение расстояний до удаленных объектов, таких как орбитальные спутники, с точностью до нанометра.
Исследование описано в природа.
