Гребни оптических частот позволяют ученым измерять свет — и наш мир — с большой точностью и аккуратностью. Это устройство привело к инновациям, о которых ученые и не подозревали, когда оно создавалось.
Кредит:
Дж. Ван/NIST
Усовершенствование удостоенной Нобелевской премии технологии, называемой частотной гребенкой, позволяет измерять время прибытия световых импульсов с большей чувствительностью, чем это было возможно ранее, что потенциально улучшает измерения расстояния наряду с такими приложениями, как точное определение времени и атмосферное зондирование.
Инновация, созданная учеными из Национального института стандартов и технологий (NIST), представляет собой новый способ использования технологии частотной гребенки, которую ученые назвали «программируемой во времени частотной гребенкой». До сих пор лазеры с частотной гребенкой должны были создавать световые импульсы с метрономной регулярностью для достижения своих эффектов, но команда NIST показала, что управление синхронизацией импульсов может помочь частотным гребенкам выполнять точные измерения в более широком наборе условий, чем это было возможно. .
«Мы фактически нарушили это правило частотных гребенок, которое требует, чтобы они использовали фиксированный интервал между импульсами для точной работы», — сказала Лаура Синклер, физик из кампуса NIST в Боулдере и один из авторов статьи. «Изменив способ управления частотными гребенками, мы избавились от компромиссов, на которые нам приходилось идти, поэтому теперь мы можем получать высокоточные результаты, даже если в нашей системе мало света для работы».
Работа команды описана в журнале Природа.
Часто описываемый как линейка для света, частотная гребенка представляет собой тип лазера, свет которого состоит из множества четко определенных частот, которые можно точно измерить. Глядя на спектр лазера на дисплее, каждая частота будет выделяться, как один зубец гребня, что и дало название технологии. После того, как Ян Холл из NIST получил часть Нобелевской премии по физике 2005 года, частотные гребенки нашли применение в ряде приложений, начиная от точного хронометража и заканчивая поиском планет, подобных Земле, и обнаружением парниковых газов.
Несмотря на множество текущих применений, частотные гребенки имеют ограничения. Документ группы представляет собой попытку устранить некоторые ограничения, возникающие при использовании частотных гребенок для проведения точных измерений за пределами лаборатории в более сложных ситуациях, когда сигналы могут быть очень слабыми.
Вскоре после их изобретения частотные гребенки позволили очень точно измерять расстояние. Отчасти эта точность связана с широким спектром частот света, которые используют гребни. Радар, который использует радиоволны для определения расстояния, имеет точность от сантиметров до многих метров в зависимости от ширины импульса сигнала. Оптические импульсы от частотной гребенки намного короче, чем радио, что потенциально позволяет проводить измерения с точностью до нанометров (нм) или миллиардных долей метра — даже когда детектор находится за много километров от цели. Использование методов частотной гребенки может в конечном итоге обеспечить точную группировку спутников для скоординированного зондирования Земли или космоса, улучшения GPS и поддержки других сверхточных приложений навигации и синхронизации.
Для измерения расстояний с помощью частотных гребенок требуются две гребенки, у которых синхронизация импульсов лазеров точно скоординирована. Импульсы одного гребенчатого лазера отражаются от удаленного объекта подобно тому, как радар использует радиоволны, а второй гребенчатый лазер, слегка смещенный по периоду повторения, с большой точностью измеряет время их возвращения.
«Изменив способ управления частотными гребенками, мы избавились от компромиссов, на которые нам приходилось идти, поэтому теперь мы можем получать высокоточные результаты, даже если в нашей системе мало света для работы». — Лаура Синклер, физик NIST.
Ограничение, связанное с такой высокой точностью, связано с количеством света, которое должен принять детектор. В силу своей конструкции детектор может регистрировать только фотоны от дальномерного лазера, поступающие одновременно с импульсами от второго гребенчатого лазера. До сих пор из-за небольшого смещения периода повторения существовал относительно длительный период «мертвого времени» между этими перекрытиями импульсов, и любые фотоны, прибывавшие между перекрытиями, были потерянной информацией, бесполезной для усилий по измерению. Из-за этого некоторые цели было трудно увидеть.
В этом случае у физиков есть термин для обозначения своих устремлений: они хотят проводить измерения на «квантовом пределе», что означает, что они могут учитывать каждый доступный фотон, несущий полезную информацию. Большее количество обнаруженных фотонов означает большую способность обнаруживать быстрые изменения расстояния до цели, что является целью в других приложениях частотной гребенки. Но, несмотря на все свои достижения на сегодняшний день, технология частотной гребенки работает далеко от этого квантового предела.
«Частотные гребенки обычно используются для измерения физических величин, таких как расстояние и время, с чрезвычайной точностью, но большинство методов измерения тратят впустую большую часть света, 99,99% или более», — сказал Синклер. «Вместо этого мы показали, что, используя этот другой метод управления, вы можете избавиться от этих отходов. Это может означать увеличение скорости измерения, точности или позволяет использовать гораздо меньшую систему».
Нововведение команды включает в себя возможность контролировать синхронизацию импульсов второй гребенки. Достижения в области цифровых технологий позволяют второй гребенке «привязываться» к возвращающимся сигналам, устраняя мертвое время, созданное предыдущим подходом выборки. Это происходит несмотря на то, что контроллер должен найти «иголку в стоге сена» — импульсы сравнительно короткие, длительностью всего 0,01% от времени простоя между ними. После первоначального захвата, если цель движется, цифровой контроллер может отрегулировать выходное время таким образом, чтобы импульсы второй гребенки ускорялись или замедлялись. Это позволяет перестроить импульсы, так что импульсы второй гребенки всегда перекрываются с импульсами, возвращающимися от цели. Это скорректированное выходное время точно в два раза превышает расстояние до цели, и оно возвращается с точнейшей характеристикой частотных гребенок.
Измерение расстояния с использованием двухчастотных гребенок требует жесткой координации между синхронизацией импульсов двух гребенок. Импульсы одного гребенчатого лазера, F1, отражаются от удаленного объекта, а второй гребенчатый лазер (верхний пример F2), который немного смещен по периоду повторения, измеряет время их возвращения с большой точностью. Однако по природе этого подхода детектор может регистрировать только фотоны от дальномерного лазера F1, которые приходят одновременно с импульсами от F2. Любые фотоны, прибывающие между перекрытиями, как импульсы в верхнем примере F2, являются потерянной информацией. Инновация команды включает в себя цифровой контроллер, который может регулировать выходное время таким образом, чтобы импульсы гребенки F2 ускорялись или замедлялись, как представлено движущимися импульсами в нижнем примере F2. Эта регулировка времени позволяет перестроить импульсы двух гребенок (обозначено белым столбцом), так что импульсы гребенки F2 всегда перекрываются с импульсами, возвращающимися от цели, и никакая информация не теряется.
Кредит:
Б. Хейс/NIST
Результатом этой программируемой по времени частотной гребенки, как ее называет команда, является метод обнаружения, который наилучшим образом использует доступные фотоны и устраняет мертвое время.
«Мы обнаружили, что можем быстро измерить дальность до цели, даже если у нас есть только слабый сигнал», — сказал Синклер. «Поскольку каждый возвращающийся фотон обнаруживается, мы можем точно измерить расстояние, близкое к стандартному квантовому пределу».
По сравнению со стандартной двойной гребенкой, команда увидела снижение требуемой мощности принимаемого сигнала на 37 децибел — другими словами, требовалось всего около 0,02% фотонов, необходимых ранее.
Эта инновация может даже позволить в будущем проводить измерения удаленных спутников на уровне нанометров, и команда изучает, как ее программируемая по времени гребенка частот может принести пользу другим приложениям для измерения гребенки частот.
Э.Д. Колдуэлл, Л.С. Синклер, Н.Р. Ньюбери и Дж.-Д. Дешен. Программируемая во времени частотная гребенка и ее использование в квантово-ограниченном диапазоне. Природа. Опубликовано в Интернете 5 октября 2022 г. DOI: 10.1038/с41586-022-05225-8
