Инновация, созданная учеными Национального института стандартов и технологий (NIST), представляет собой новый способ использования технологии частотной гребенки, которую ученые назвали "программируемой по времени частотной гребенкой". До сих пор частотным гребенчатым лазерам для достижения своих эффектов требовалось создавать световые импульсы с метрономической регулярностью, но команда NIST показала, что манипулирование синхронизацией импульсов может помочь частотным гребенчатым лазерам проводить точные измерения в более широком наборе условий, чем это было возможно.

"Мы, по сути, нарушили это правило частотных гребенок, которое требует, чтобы они использовали фиксированный интервал импульсов для точной работы", - сказала Лора 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, так что 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 измерения света, частотный гребень - это тип лазера, излучение которого состоит из множества четко определенных частот, которые можно точно измерить. Если посмотреть на спектр лазера на дисплее, то каждая частота будет выделяться, как один зубец гребенки, 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, похожих на Землю, и обнаружением парниковых газов.

Несмотря на их многочисленные текущие применения, частотные гребенки обладают ограничениями. Работа команды 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 своего изобретения частотные гребенки позволили проводить высокоточные измерения расстояния. Отчасти такая точность обусловлена широким спектром частот света, используемых гребнями. Радар, который использует радиоволны для определения расстояния, имеет точность от сантиметров до многих метров в зависимости от длительности 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 точное формирование спутников для скоординированного зондирования Земли или космоса, улучшения GPS и поддержки других сверхточных приложений навигации и синхронизации.

Для измерения расстояния с помощью частотных гребенок требуются две гребенки, время импульсов лазеров которых строго согласовано. Импульсы от одного гребенчатого лазера отражаются от удаленного объекта, точно так же, как радар использует радиоволны, а вторая гребенка, слегка смещенная по периоду повторения, измеряет время их возвращения с большой точностью.

Ограничение, связанное с такой высокой точностью, связано с количеством света, которое должен получать детектор. По своей конструкции детектор может регистрировать только фотоны от дальномерного лазера, которые поступают одновременно с импульсами от лазера второй гребенки. До сих пор, из-за небольшого смещения в периоде повторения, между этими наложениями импульсов был относительно длительный период "мертвого времени", и любые фотоны, которые поступали между наложениями, были потерянной информацией, бесполезной для усилий по измерению. Из-за этого некоторые цели было трудно разглядеть.

У физиков есть термин для обозначения их устремлений в этом случае: они хотят проводить измерения на "квантовом пределе", что означает, что они могут учитывать каждый доступный фотон, который несет полезную информацию. Большее количество обнаруженных фотонов означает большую способность обнаруживать быстрые изменения расстояния до цели, цели 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 предельной точностью, но большинство методов измерения расходуют большую часть света, 99,99% или более", - сказал Синклер. "Вместо этого мы показали, что, используя этот другой метод контроля, вы можете избавиться от этих отходов. Это может означать увеличение скорости измерения, точности или позволяет использовать гораздо меньшую систему."

Инновация команды включает в себя возможность контролировать время импульсов второй гребенки. Достижения в области цифровых технологий позволяют второму гребню "фиксироваться" на возвращаемых сигналах, устраняя время простоя, созданное предыдущим подходом к отбору проб. Это происходит, несмотря на то, что контроллер должен найти "иголку в стоге сена" - импульсы сравнительно короткие, длящиеся всего на 0,01% дольше времени простоя между ними. После первоначального обнаружения, если цель движется, цифровой контроллер может настроить выходной сигнал времени таким образом, чтобы импульсы второй гребенки ускорялись или замедлялись. Это позволяет импульсам перестраиваться, так что импульсы второй гребенки всегда перекрываются с импульсами, возвращающимися от цели. Этот скорректированный выходной сигнал по времени ровно в два раза превышает расстояние до цели, и он возвращается с высокой точностью, характерной для частотных гребенок.

Результатом этой программируемой по времени частотной гребенки, как называет ее 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 к нам возвращается только слабый сигнал", - сказал Синклер. "Поскольку обнаруживается каждый возвращающийся фотон, мы можем с точностью измерить расстояние, близкое к стандартному квантовому пределу".

По сравнению со стандартным диапазоном с двумя гребенками, команда увидела снижение требуемой мощности приема на 37 децибел - другими словами, потребовалось всего около 0,02% фотонов, необходимых ранее.

Инновация может даже позволить в будущем проводить измерения удаленных спутников на нанометровом уровне, и команда изучает, как ее программируемая по времени частотная гребенка может принести пользу другим приложениям для измерения частотной гребенки.