Дослідники зі США та Канади розробили нову техніку, яка може значно підвищити точність вимірювань часу та відстані за допомогою подвійних оптичних частотних гребінок. За допомогою динамічного регулювання однієї з гребінців, Емілі Колдуелл і колеги з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) у Боулдері, Колорадо та Octosig Consulting у Квебеку зробили цю техніку набагато ефективнішою.
Оптична частотна гребінка, вперше продемонстрована на рубежі тисячоліть, підвищила точність вимірювання часу та відстані. Гребінь можна створити за допомогою лазера, який випромінює ультракороткі імпульси через рівні проміжки часу. Частотний спектр імпульсів має гострі, рівномірно розташовані піки, що надає йому вигляду зубців гребінця.
Для вимірювання часу та відстані імпульси гребінки відбиваються від віддаленого об’єкта. Потім відбите світло поєднується з другою гребінкою, яка має імпульси, які трохи затримуються відносно першої гребінки. Шляхом вимірювання відносного вирівнювання двох гребінців можна з дуже високою точністю визначити час повернення першої гребінки – і, отже, відстань до відбиваючого об’єкта.
Невелике перекриття
Однак важливим недоліком цієї методики є те, що довжина імпульсів набагато коротша, ніж проміжки між імпульсами. Тому часто буває, що між відбитим імпульсом і затриманим імпульсом невелике перекриття. Це означає, що вимірювання іноді покладаються на вимірювання дуже малої кількості фотонів, що знижує точність і втрачає значну частину відбитого світла. Це особливо актуальна проблема для зондування за межами лабораторії, де світло в першій гребінці вже ослаблене, коли воно проходить великі відстані до цільового об’єкта та від нього.
Ультрачутливий частотний гребінчастий алкотестер призначений для діагностики захворювань у режимі реального часу
Щоб подолати цю проблему, команда Колдвелла використовувала цифровий контролер для відстеження та контролю часу імпульсу в другій гребінці з точністю до 2 ас. Це дозволило їм з’єднати другу гребінку з першою, гарантуючи, що імпульси надходять на детектор одночасно. У результаті всі фотони в першій гребінці потенційно можуть бути використані для вимірювання.
Це нововведення дозволило команді провести вимірювання, близькі до квантової межі – фундаментального обмеження точності вимірювань, яке накладається квантовими флуктуаціями. Ще одна перевага системи полягає в тому, що її ефективне використання фотонів означає, що вона може працювати з набагато меншою потужністю – для отримання тих самих результатів потрібно лише 0.02% фотонів, які використовували попередні системи.
У результаті підхід команди може запропонувати нові цікаві можливості для визначення можливостей за межами лабораторії. Це включає вимірювання відстані до віддалених об’єктів, таких як орбітальні супутники, з точністю до нанометра.
Дослідження описано в природа.
