Optisk mikro-oscillator kan føre til næste generations timing, navigations- og registreringsapplikationer

Et team af ingeniørforskere fra UCLA og OEWaves har udviklet en optisk mikro-oscillator, en vigtig tidtagningskomponent i ure, der i høj grad kunne forbedre nøjagtigheden af ​​tidtagning, som er afgørende for brug i rumfartøjer, bilsensor eller satellitkommunikation.

En optisk oscillator ligner et pendul i et bedstefarur, kun i stedet for en svingende bevægelse for at holde tiden, dens "kryds" er laserens meget høje frekvens, eller cyklusser i sekundet. Dette "optiske pendul" er et laserlys begrænset i en meget stille resonator, der gør det muligt for lyset at hoppe frem og tilbage uden at miste sin energi. Denne klasse af optiske oscillatorer er ekstremt præcis. Imidlertid, de er store selvstændige enheder, på størrelse med en hjemmekøkkenovn, og skal opbevares under fuldstændig stabile laboratorieforhold.

Den nye oscillator har laboratorielignende stabilitet, og er lille og let nok til potentielt at blive inkorporeret i satellitter, i biler til superpræcis navigation, til ultrahøj præcisionsmåling, eller endda en hverdagsenhed som en smartphone. Forbedringen er størrelsesordener bedre i forhold til de bedste, der findes i øjeblikket uden for et laboratorium, som er kvartskrystaloscillatorer i luksusarmbåndsure, computere og smartphones. Den nye enhed udnytter også et fænomen, der blev opdaget i St. Paul's Cathedral i London.

Forskerne foreslår, at dette kan bruges i miniaturiserede atomure til rumfartøjer og satellitter, hvor præcis timing er vigtig for navigation. Det kan bruges til præcisionsafstand og rotationsmåling til biler og andre køretøjer og til optisk spektroskopi i høj opløsning, som bruges til at forestille molekylære og atomiske strukturer.

"Eventuelle udsving i temperatur eller tryk kan ændre oscillatorernes størrelse, og ændrer derfor, hvor langt laserlyset bevæger sig, og dermed, nøjagtigheden af ​​oscillationen, "sagde Chee Wei Wong, professor i elektroteknik ved UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science og hovedforsker ved forskningen.

Tænk på, når en dørkarme udvider sig eller trækker sig sammen på grund af ændringer i temperaturen. På de små skalaer af optiske oscillatorer, selv den mindste ændring i størrelse kan påvirke dens nøjagtighed.

Forskerteamets nye oscillator er præcis og stabil. Lysoscillationsfrekvensen ændrer sig ikke mere end 0,1 dele pr. Milliard. På samme tid, de skrumpede oscillatorens størrelse ned til kun 1 kubikcentimeter i volumen.

"Den miniaturestabiliserede laser, der blev demonstreret i dette arbejde, er et vigtigt skridt i at reducere størrelsen, vægt og kraft af optiske ure, og for at muliggøre deres tilgængelighed uden for laboratoriet og til feltapplikationer, "sagde Lute Maleki, CEO for OEwaves.

Forskergruppens optiske oscillator er tre til fem gange mere stabil end eksisterende enheder ved ikke at blive påvirket under ekstreme ændringer i temperatur og tryk. Baseret på eksperimentelle resultater, forskerne foreslår også, at dens stabilitet kan være op til 60 gange bedre.

"Som regel, selv små variationer af atmosfærisk temperatur eller tryk indfører måleusikkerhed med en størrelsesorden større end de observerede effekter, "sagde Jinkang Lim, en UCLA -postdoktor i Mesoscopic Optics and Quantum Electronics Laboratory og hovedforfatter på undersøgelsen. "Vi designede omhyggeligt vores resonator og isolerede den fra omgivelsessvingningerne. Derefter observerede vi de små ændringer og så, at den forblev stabil, selv med miljøændringer.

"Denne lille oscillator kan føre til måle- og navigationsenheder i marken, hvor temperatur og tryk ikke kontrolleres og ændres dramatisk, "Lim tilføjet." Denne nye mikro-oscillator kunne bevare sin nøjagtighed, selv med uvenlige miljøforhold. "

Den optiske mikrooscillator, fungerer på dette nøjagtighedsniveau, fordi det begrænser laserlyset inde i sig selv ved at bruge det, der kaldes "hviskende gallerimodus" resonans, så navngivet på grund af ligheder med, hvordan en person kan hviske noget mod væggene i kuplen i Londons St. Paul's Cathedral, hvor dette fænomen først blev rapporteret, der vil være fuldstændig hørbar på den modsatte side. Fænomenet er også i New York Citys Grand Central Station. I dette tilfælde, laserlysbølgen formerer sig langs det specielt designede indre af mikroresonatoren. Derudover frekvensen forbliver stabil, da mikroresonatoren modstår ændringer fra temperatur og tryk. Endelig, selve lyssvingningerne er meget tydelige, snarere end "fuzzy".