Nyt design til optisk lineal kan revolutionere ure, teleskoper, telekommunikation

Ligesom en meterpind med hundredvis af flueben kan bruges til at måle afstande med stor præcision, en enhed kendt som en laserfrekvenskam, med sine hundredvis af jævnt fordelte, skarpt definerede frekvenser, kan bruges til at måle lysbølgernes farver med stor præcision.

Lille nok til at passe på en chip, miniatureversioner af disse kamme - så navngivet, fordi deres sæt af ensartet fordelte frekvenser ligner tænderne på en kam - muliggør en ny generation af atomure, en stor stigning i antallet af signaler, der rejser gennem optiske fibre, og evnen til at skelne små frekvensskift i stjernelys, der antyder tilstedeværelsen af ​​usete planeter. Den nyeste version af disse chip-baserede "mikrokomber, "skabt af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of California i Santa Barbara (UCSB), er klar til yderligere at fremme tids- og frekvensmålinger ved at forbedre og udvide disse små enheders muligheder.

I hjertet af disse frekvensmikokamme ligger en optisk mikroresonator, en ringformet enhed på bredden af ​​et menneskehår, hvor lyset fra en ekstern laser ræser rundt tusindvis af gange, indtil det opbygger høj intensitet. mikrokamme, ofte lavet af glas eller siliciumnitrid, kræver typisk en forstærker til det eksterne laserlys, som kan gøre kammen kompleks, besværligt og dyrt at producere.

NIST-forskerne og deres UCSB-samarbejdspartnere har vist, at mikrokamme skabt af halvlederen aluminium galliumarsenid har to væsentlige egenskaber, der gør dem særligt lovende. De nye kamme arbejder med så lav effekt, at de ikke behøver en forstærker, og de kan manipuleres til at producere et ekstraordinært stabilt sæt af frekvenser - præcis hvad der er nødvendigt for at bruge mikrochipkammen som et følsomt værktøj til at måle frekvenser med ekstraordinær præcision. (Forskning er en del af NIST on a Chip-programmet.)

Den nyudviklede mikrokamteknologi kan hjælpe med at gøre det muligt for ingeniører og videnskabsmænd at foretage præcise optiske frekvensmålinger uden for laboratoriet, sagde NIST-forsker Gregory Moille. Ud over, mikrokammen kan masseproduceres gennem nanofremstillingsteknikker, der ligner dem, der allerede bruges til fremstilling af mikroelektronik.

Forskerne ved UCSB ledede tidligere bestræbelser på at undersøge mikroresonatorer sammensat af aluminium galliumarsenid. Frekvenskammene fremstillet af disse mikroresonatorer kræver kun en hundrededel af kraften fra enheder fremstillet af andre materialer. Imidlertid, videnskabsmændene havde ikke været i stand til at påvise en nøgleegenskab – at et diskret sæt urokkelige, eller meget stabil, frekvenser kunne genereres fra en mikroresonator lavet af denne halvleder.

NIST-holdet tacklede problemet ved at placere mikroresonatoren i et tilpasset kryogent apparat, der gjorde det muligt for forskerne at sondere enheden ved temperaturer så lave som 4 grader over det absolutte nulpunkt. Lavtemperatureksperimentet afslørede, at interaktionen mellem varmen genereret af laserlyset og lyset, der cirkulerede i mikroresonatoren, var den eneste hindring, der forhindrede enheden i at generere de meget stabile frekvenser, der er nødvendige for en vellykket drift.

Ved lave temperaturer, holdet demonstrerede, at det kunne nå det såkaldte soliton-regime – hvor individuelle lysimpulser, der aldrig ændrer deres form, frekvens eller hastighed cirkulerer i mikroresonatoren. Forskerne beskriver deres arbejde i juninummeret af Laser og fotonik anmeldelser .

Med sådanne ensomme, alle tænder i frekvenskammen er i fase med hinanden, så de kan bruges som lineal til at måle de frekvenser, der anvendes i optiske ure, frekvenssyntese, eller laserbaserede afstandsmålinger.

Selvom nogle nyligt udviklede kryogene systemer er små nok til, at de kan bruges med den nye mikrokam uden for laboratoriet, det ultimative mål er at betjene enheden ved stuetemperatur. De nye resultater viser, at forskerne enten bliver nødt til at slukke eller helt undgå overskydende opvarmning for at opnå stuetemperaturdrift.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.