En ny teknik som avsevärt skulle kunna förbättra noggrannheten i de tids- och avståndsmätningar som görs med dubbla optiska frekvenskammar har utvecklats av forskare i USA och Kanada. Genom den dynamiska justeringen av en av kammarna, Emily Caldwell och kollegor vid National Institute of Standards and Technology (NIST) i Boulder, Colorado och Octosig Consulting i Quebec City har gjort tekniken mycket effektivare.
Den optiska frekvenskammen, som först demonstrerades vid millennieskiftet, har ökat noggrannheten i tids- och avståndsmätningar. En kam kan skapas med hjälp av en laser som avger ultrakorta pulser med jämna mellanrum. Pulsernas frekvensspektrum har skarpa, jämnt fördelade toppar – vilket ger det utseendet som tänderna på en kam.
För att mäta tid och avstånd reflekteras kampulser från ett avlägset objekt. Det reflekterade ljuset kombineras sedan med en andra kam, som har pulser som är något fördröjda i förhållande till den första kammen. Genom att mäta den relativa inriktningen av de två kammarna kan återgångstiden för den första kammen – och därmed avståndet till det reflekterande föremålet – bestämmas med mycket hög noggrannhet.
Lite överlappning
En viktig brist med denna teknik är emellertid att längden på pulserna är mycket kortare än mellanrummen mellan pulserna. Därför är det ofta så att det är liten överlappning mellan den reflekterade pulsen och den fördröjda pulsen. Detta innebär att mätningar ibland förlitar sig på att mäta mycket små antal fotoner – vilket minskar noggrannheten och slösar bort en stor del av det reflekterade ljuset. Detta är ett särskilt pressande problem för avkänning av applikationer utanför labbet, där ljuset i den första kammen redan är dämpat när det färdas långa sträckor till och från målobjektet.
Ultrakänslig frekvenskam-alkotestare riktar in sig på sjukdomsdiagnos i realtid
För att övervinna detta problem använde Caldwells team en digital styrenhet för att spåra och styra timingen av pulsen i den andra kammen med en noggrannhet på 2 som. Detta gjorde det möjligt för dem att låsa den andra kammen till den första, vilket säkerställde att pulserna anländer till detektorn samtidigt. Som ett resultat kan alla fotoner i den första kammen potentiellt användas i en mätning.
Denna innovation gjorde det möjligt för teamet att ta sina mätningar nära kvantgränsen – en grundläggande gräns för mätningens noggrannhet som påtvingas av kvantfluktuationer. En annan fördel med systemet är att dess effektiva användning av fotoner gör att det kan köras med mycket lägre effekt – vilket bara kräver 0.02% av fotoner som används av tidigare system för samma resultat.
Som ett resultat kan teamets tillvägagångssätt erbjuda nya spännande möjligheter för att känna av möjligheter utanför labbet. Detta inkluderar mätning av avstånd till avlägsna objekt som kretsande satelliter med nanometerprecision.
Forskningen beskrivs i Natur.
