Forståelse af, hvordan linjebredder i mikrokamme vil muliggøre mere præcise målinger

Mikrokamme har vidt forskellige anvendelsesområder - de kan hjælpe os med at opdage planeter uden for vores solsystem samt spore sygdomme i vores kroppe. Nye forskningsresultater ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, giver nu en dybere forståelse af, hvordan linjebredden i kammene fungerer, noget der blandt andet vil muliggøre endnu mere præcise målinger i fremtiden. Og opdagelsen blev gjort næsten ved en tilfældighed.

En lineal lavet af lys er den forenklede beskrivelse af en mikrokam. Kort fortalt bygger princippet på, at en laser sender lys, der cirkulerer inde i et lille hulrum, en såkaldt mikroresonator. Der er lyset opdelt i en række forskellige farver eller frekvenser. Frekvenserne er præcist placeret, svarende til markeringerne på en lineal.

I dag kan stort set alle optiske målinger kobles til lysfrekvenser, og det giver mikrokammene et væld af forskellige anvendelsesområder – alt fra kalibreringsinstrumenter, der måler signaler på lysårsafstande, til at identificere og holde styr på vores helbred via luften, der vi puster ud.

Ny indsigt i frekvenskammens linjer

"Laserfrekvenskamme har revolutioneret forskning, der er afhængig af frekvensmetrologi," siger Victor Torres Company, professor ved Institut for Mikroteknologi og Nanovidenskab, MC2, ved Chalmers University of Technology.

Et centralt spørgsmål, når man arbejder med mikrokamme, er, hvor smalle frekvenskamlinjerne er. Den fremherskende opfattelse var indtil for få år siden, at linjerne ikke kan være smallere end indgangslyset fra laseren. Da forskere begyndte at undersøge dette mere i dybden, blev det opdaget, at de linjer, der er placeret længere ude fra laseren, er lidt bredere end de centralt placerede linjer. Støjkilder i mikroresonatoren blev tænkt som årsagen til dette.

Da Fuchuan Lei, forsker ved MC2, testede disse teorier og kørte eksperimenterne med enheder fremstillet på MC2 Nanofabrication Laboratory-faciliteterne, opdagede han, at nogle af linjerne faktisk var smallere end lyset fra selve laserkilden. Han sporede alle støjkilder, der kan påvirke linjebredden eller renheden af ​​linjerne, gentog eksperimenterne og fortsatte med at modtage det samme resultat.

En ny teori på plads

"Vi forstod ikke hvorfor, men baseret på disse resultater udviklede vi en teoretisk model, der forklarede, hvad der skete, lavede simuleringer og bekræftede via eksperimenter, at vores model var korrekt," siger Victor Torres Company. "Tidligere var det ikke klart, hvordan de forskellige støjmekanismer ville påvirke linjebredden af ​​kamlinjerne i mikrokammen."

"Først troede vi, at der måtte være noget galt, men da vi først havde fået vores teori på plads, var alt klart," siger Fuchuan Lei.

Hvor smalle markeringerne er i en mikrokam har stor betydning for, hvordan den kan bruges. En mikrokam med snævert placerede markeringer giver mulighed for endnu mere præcise målinger, og derfor er forståelsen af, hvorfor linjerne er smallere, et centralt emne i udviklingen af ​​mikrokamme. Victor Torres Company sammenligner det med linealer lavet af forskellige slags materialer.

Muligt at måle mere præcist

"Forestil dig, at du ville tegne markører med noget kridt versus hvis du ville gøre det med en blyant. Du kan definere et gitter, du kan definere afstanden, men med en blyant kan du måle mere præcist, fordi så har du din lineal med meget godt- definerede mærker," siger han.

Hvad der oprindeligt var en interessant kuriosum, opdaget af forskerne, kom til at afsløre de fysiske mekanismer af, hvad der forårsager linjerne i mikrokammen til at variere i linjebredde.

"Takket være vores forskning og publikation vil de, der arbejder med designet af denne type enheder, forstå, hvordan de forskellige støjkilder påvirker de forskellige parametre og mikrokammens ydeevne," siger Victor Torres Company.

Artiklen, "Optical linewidth of soliton microcombs," blev offentliggjort i Nature Communications . + Udforsk yderligere

Ny mikrokam kunne hjælpe med at opdage exoplaneter og opdage sygdomme