Các nhà nghiên cứu ở Hoa Kỳ và Canada đã phát triển một kỹ thuật mới có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của các phép đo thời gian và khoảng cách được thực hiện bằng cách sử dụng lược tần số quang học kép. Bằng cách điều chỉnh năng động của một trong những chiếc lược, Emily Caldwell và các đồng nghiệp tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) ở Boulder, Colorado và Octosig Consulting ở Thành phố Quebec đã làm cho kỹ thuật này hiệu quả hơn nhiều.
Lần đầu tiên được chứng minh vào đầu thiên niên kỷ, lược tần số quang học đã nâng cao độ chính xác của các phép đo thời gian và khoảng cách. Một chiếc lược có thể được tạo ra bằng cách sử dụng tia laser phát ra các xung cực ngắn đều đặn. Phổ tần số của các xung có các đỉnh sắc nét, cách đều nhau – khiến nó trông như răng lược.
Để đo thời gian và khoảng cách, các xung lược được phản xạ từ một vật thể ở xa. Ánh sáng phản xạ sau đó được kết hợp với một chiếc lược thứ hai, chiếc lược này có xung hơi trễ so với chiếc lược thứ nhất. Bằng cách đo độ thẳng hàng tương đối của hai lược, thời gian quay lại của lược đầu tiên – và do đó, khoảng cách đến đối tượng phản xạ – có thể được xác định với độ chính xác rất cao.
Ít chồng chéo
Tuy nhiên, một thiếu sót quan trọng của kỹ thuật này là độ dài của các xung ngắn hơn nhiều so với khoảng cách giữa các xung. Do đó, thường xảy ra trường hợp ít có sự trùng lặp giữa xung phản xạ và xung trễ. Điều này có nghĩa là các phép đo đôi khi dựa vào việc đo số lượng photon rất nhỏ – làm giảm độ chính xác và lãng phí một phần lớn ánh sáng phản xạ. Đây là một vấn đề đặc biệt cấp bách đối với các ứng dụng cảm biến bên ngoài phòng thí nghiệm, nơi ánh sáng trong chiếc lược đầu tiên đã bị suy giảm khi nó di chuyển một quãng đường dài đến và đi từ đối tượng mục tiêu.
Máy phân tích hơi thở lược tần số siêu nhạy nhắm mục tiêu chẩn đoán bệnh theo thời gian thực
Để khắc phục vấn đề này, nhóm của Caldwell đã sử dụng bộ điều khiển kỹ thuật số để theo dõi và kiểm soát thời gian của xung trong lược thứ hai với độ chính xác trong khoảng 2 as. Điều này cho phép họ khóa lược thứ hai với lược thứ nhất, đảm bảo rằng các xung đến máy dò cùng một lúc. Kết quả là, tất cả các photon trong lược đầu tiên có thể được sử dụng trong một phép đo.
Cải tiến này cho phép nhóm thực hiện các phép đo của họ gần với giới hạn lượng tử – một giới hạn cơ bản về độ chính xác của phép đo do dao động lượng tử áp đặt. Một ưu điểm khác của hệ thống là việc sử dụng hiệu quả các photon có nghĩa là nó có thể chạy ở mức năng lượng thấp hơn nhiều – chỉ cần 0.02% lượng photon mà các hệ thống trước đó sử dụng để có cùng kết quả.
Do đó, cách tiếp cận của nhóm có thể mang đến những cơ hội mới thú vị để phát hiện các cơ hội bên ngoài phòng thí nghiệm. Điều này bao gồm đo khoảng cách đến các vật thể ở xa như vệ tinh quay quanh với độ chính xác trong phạm vi nanomet.
Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.
