Få flere oplysninger ved at måle hurtigere og bruge mindre gennemsnit

For signaler, der knap er større end støjen i et system, er måling generelt en afvejning mellem hastighed og præcision. Et gennemsnit over flere målinger reducerer påvirkningen af ​​støj, men tager (meget) tid. Det kan ændre sig med en revolutionerende ny målemetode, udtænkt af AMOLF-forskerne Kevin Peters og Said Rodriguez. Deres idé er baseret på en ikke-lineær optisk resonator, forklarer Rodriguez:"I denne sensor producerer hurtigere måling faktisk et stærkere signal." Den teoretiske uddybning af denne nye målemetode er offentliggjort i Physical Review Letters i dag den 27. juni 2022. Til en eksperimentel udforskning søges samarbejder med virksomheder, der søger at foretage hurtige og præcise målinger med lys.

"Fysik handler om at tage målinger for at indsamle information om et system eller for at reducere usikkerheden om et systems tilstand. Nogle gange er præcision vigtigst - hvor sikker er du på, at noget i systemet har ændret sig? I andre tilfælde er hastigheden vigtigst - hvor hurtigt kan man samle information? I de fleste detektorer kommer nøjagtighed på bekostning af hastighed," siger AMOLF-gruppeleder Rodriguez. "Overvej noget så simpelt som at se på et maleri:Hvis du kun ser maleriet i et par sekunder, vil du indsamle meget mindre information, end når du får det at se i et par minutter. Med andre ord:jo længere vi måler, jo mere information, vi indsamler, og jo mere præcist kender vi systemets tilstand (maleriet)."

Støj

Ved måling af meget små signaler er påvirkningen af ​​støj også vigtig. "En typisk optisk detektor, baseret på en resonator eller et hulrum, giver et signal, når f.eks. et molekyle forstyrrer resonatoren. Men dette signal kan være så lille, at det knap overstiger støjen fra laseren. Signalet kan kun være opdaget ved at tage et gennemsnit af flere målinger eller ved at bruge en længere måletid,« siger Rodriguez, der sammen med ph.d. studerende Kevin Peters, leder efter måder at reducere påvirkningen af ​​støj ved detektering med optiske systemer.

'Exceptionelt punkt'

Forskerne fandt inspiration til deres unikke nye målekoncept i et eksotisk fysisk fænomen, der opstår i åbne kvantesystemer, såsom optiske resonatorer, der måler tilstedeværelsen af ​​molekyler eller vira. "Sådanne systemer har komplekse egenværdier, der nogle gange falder sammen. I så fald taler vi om et 'exceptionelt punkt', og teorien tyder på, at målinger på præcis et sådant punkt burde være meget mere følsomme," siger Rodriguez. "Det viste sig dog, at mens signalerne faktisk blev forbedret på disse 'ekstraordinære punkter', så var støjen det også. Desuden er det en meget kompliceret og besværlig opgave at bestemme den nøjagtige placering af det ekstraordinære punkt, hvor der skal måles."

Forskerne indså, at noget, der ligner de "ekstraordinære punkter", også kunne identificeres i de ikke-lineære optiske hulrum (en type resonator), de arbejder med. Rodriguez:"Ikke-lineære hulrum kan have optisk hysterese. Når du øger lasereffekten, opbygges lysintensiteten i hulrummet på en bestemt måde. Men når du ramper lasereffekten ned, forlader lysintensiteten hulrummet. på en anden måde. Dette resulterer i hysterese, svarende til magnetiseringen af ​​visse materialer, når et magnetfelt påføres dem. Vi fandt ud af, at forskellen i lysintensitet mellem de punkter, hvor hysteresen åbner og lukker, er proportional med kvadratroden af forstyrrelsen af ​​resonatoren (f.eks. forårsaget af et molekyle, der skal måles). Målingen af ​​dette 'forskelsignal' er derfor meget følsom over for små forstyrrelser. Desuden viste vi, at med hurtigere målinger bliver påvirkningen af ​​støj mindre, tværtimod til hvad der sker i konventionelle målemetoder."

Praktisk gennemførlighed

Forskerne lavede teoretiske beregninger for den foreslåede sensor, men tænkte også på den praktiske gennemførlighed. Indstilling af den korrekte modulationsfrekvens for målinger med den foreslåede optiske resonator er let muligt med eksisterende udstyr. Derfor vil Rodriguez gerne samarbejde med industrien for at udforske ideen yderligere og bruge den til optisk sensing. "Denne måde at måle på er interessant til alle slags applikationer, hvor optiske sensorer allerede er i brug," siger han. "Tænk på sensorer til positions- eller bevægelsesbestemmelse, til kemiske målinger eller til detektering af nanopartikler. Faktisk kan alt, hvad du kaster lys på og derefter måler, hvad der kommer ud, drage fordel af vores mere følsomme ikke-lineære tilgang." + Udforsk yderligere

Brug af støj til at forbedre optisk registrering