Bước đột phá có thể giúp lược tần số đo khoảng cách và thời gian với độ chính xác cao

Một cải tiến đối với công nghệ đoạt giải Nobel được gọi là lược tần số cho phép nó đo thời gian đến của xung ánh sáng với độ nhạy cao hơn so với khả năng trước đây — có khả năng cải thiện các phép đo khoảng cách cùng với các ứng dụng như thời gian chính xác và cảm biến khí quyển.

Sự đổi mới, được tạo ra bởi các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST), đại diện cho một cách mới để sử dụng công nghệ lược tần số, mà các nhà khoa học gọi là “lược tần có thể lập trình theo thời gian”. ” Cho đến nay,  các tia laser lược tần số  cần tạo ra các xung ánh sáng có độ đều đặn theo nhịp để đạt được hiệu quả của chúng, nhưng nhóm NIST đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh thời gian của các xung có thể giúp các lược tần số thực hiện các phép đo chính xác trong một tập hợp các điều kiện rộng hơn so với trước đây. khả thi.

Laura Sinclair, nhà vật lý tại cơ sở Boulder của NIST và là một trong những tác giả của bài báo cho biết: “Về cơ bản, chúng tôi đã phá vỡ quy tắc tổ hợp tần số yêu cầu chúng sử dụng khoảng cách xung cố định để hoạt động chính xác . “ Bằng cách thay đổi cách chúng tôi kiểm soát lược tần, chúng tôi đã loại bỏ được những đánh đổi mà chúng tôi phải thực hiện, vì vậy giờ đây chúng tôi có thể nhận được kết quả có độ chính xác cao ngay cả khi hệ thống của chúng tôi chỉ có một chút ánh sáng để hoạt động.” 

Công việc của nhóm được mô tả trên tạp chí  Nature .

Thường được mô tả như một thước đo ánh sáng, lược tần số là một loại tia laze có ánh sáng bao gồm nhiều tần số được xác định rõ ràng có thể đo chính xác. Nhìn vào quang phổ của tia laser trên màn hình, mỗi tần số sẽ nổi bật như một chiếc lược, đặt tên cho công nghệ này.

Mặc dù có nhiều cách sử dụng hiện tại, lược tần số vẫn có những hạn chế. Bài báo của nhóm là một nỗ lực để giải quyết một số hạn chế phát sinh khi sử dụng lược tần số để thực hiện các phép đo chính xác bên ngoài phòng thí nghiệm trong các tình huống khó khăn hơn, nơi tín hiệu có thể rất yếu.

Ngay sau phát minh của họ, lược tần đã cho phép đo khoảng cách với độ chính xác cao. Một phần, độ chính xác này bắt nguồn từ dải tần số ánh sáng rộng mà lược sử dụng. Radar, sử dụng sóng vô tuyến để xác định khoảng cách, chính xác đến mọi nơi từ centimet đến nhiều mét tùy thuộc vào độ rộng xung của tín hiệu. Các xung quang học từ lược tần số ngắn hơn nhiều so với vô tuyến, có khả năng cho phép đo chính xác đến nanomet (nm) hoặc phần tỷ mét — ngay cả khi máy dò cách mục tiêu nhiều km. Việc sử dụng các kỹ thuật kết hợp tần số cuối cùng có thể cho phép hình thành chính xác các vệ tinh bay để cảm nhận phối hợp Trái đất hoặc không gian, cải thiện GPS và hỗ trợ các ứng dụng điều hướng và thời gian cực kỳ chính xác khác.

Phép đo khoảng cách sử dụng lược tần số yêu cầu hai lược có thời gian phát xung của laser được phối hợp chặt chẽ. Các xung từ một tia laser lược bị dội lại từ một vật thể ở xa, giống như radar sử dụng sóng vô tuyến và tia laser lược thứ hai, hơi lệch trong khoảng thời gian lặp lại, đo thời gian quay trở lại của chúng với độ chính xác cao.

Hạn chế đi kèm với độ chính xác tuyệt vời này liên quan đến lượng ánh sáng mà máy dò cần nhận. Theo bản chất thiết kế của nó, máy dò chỉ có thể ghi nhận các photon từ tia laser khác nhau đến cùng lúc với các xung từ tia laser của chiếc lược thứ hai. Cho đến nay, do có sự lệch pha nhỏ trong khoảng thời gian lặp lại, nên có một khoảng thời gian “thời gian chết” tương đối dài giữa các lần chồng lấp xung này và bất kỳ photon nào đến giữa các lần chồng lấp đều bị mất thông tin, vô ích đối với nỗ lực đo lường. Điều này làm cho một số mục tiêu khó nhìn thấy.

Các nhà vật lý có một thuật ngữ cho nguyện vọng của họ trong trường hợp này: Họ muốn thực hiện các phép đo ở “giới hạn lượng tử”, nghĩa là họ có thể tính đến mọi photon có sẵn mang thông tin hữu ích. Nhiều photon được phát hiện hơn có nghĩa là khả năng phát hiện những thay đổi nhanh chóng về khoảng cách tới mục tiêu, mục tiêu trong các ứng dụng lược tần số khác cao hơn. Nhưng đối với tất cả những thành tựu của nó cho đến nay, công nghệ lược tần số đã hoạt động cách xa giới hạn lượng tử đó.

Sinclair cho biết: “Lược tần số thường được sử dụng để đo các đại lượng vật lý như khoảng cách và thời gian với độ chính xác cực cao, nhưng hầu hết các kỹ thuật đo lường đều lãng phí phần lớn ánh sáng, 99,99% trở lên . “ Thay vào đó, chúng tôi đã chỉ ra rằng bằng cách sử dụng phương pháp kiểm soát khác này, bạn có thể loại bỏ chất thải đó. Điều này có thể có nghĩa là tăng tốc độ đo lường, độ chính xác hoặc cho phép sử dụng một hệ thống nhỏ hơn nhiều.”

Sự đổi mới của nhóm liên quan đến khả năng kiểm soát thời gian xung của chiếc lược thứ hai. Những tiến bộ trong công nghệ kỹ thuật số cho phép lược thứ hai “khóa” tín hiệu quay lại, loại bỏ thời gian chết do phương pháp lấy mẫu trước đó tạo ra. Điều này xảy ra mặc dù thực tế là bộ điều khiển phải “mò kim đáy bể” — các xung tương đối ngắn, chỉ kéo dài 0,01% trong khoảng thời gian chết giữa chúng. Sau lần thu thập ban đầu, nếu mục tiêu di chuyển, bộ điều khiển kỹ thuật số có thể điều chỉnh đầu ra thời gian sao cho các xung của lược thứ hai tăng tốc hoặc giảm tốc độ. Điều này cho phép các xung sắp xếp lại, sao cho các xung của lược thứ hai luôn trùng lặp với các xung trở về từ mục tiêu. Đầu ra thời gian được điều chỉnh này chính xác gấp đôi khoảng cách tới mục tiêu,

Kết quả cuối cùng của lược tần số có thể lập trình theo thời gian này, như cách gọi của nhóm, là một phương pháp phát hiện tận dụng tốt nhất các photon có sẵn — và loại bỏ thời gian chết.

Sinclair cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng chúng tôi có thể đo phạm vi đến mục tiêu một cách nhanh chóng, ngay cả khi chúng tôi chỉ nhận được tín hiệu yếu ớt quay trở lại . “Vì mọi photon quay trở lại đều được phát hiện, nên chúng tôi có thể đo khoảng cách gần giới hạn lượng tử tiêu chuẩn một cách chính xác.”

So với phạm vi kết hợp kép tiêu chuẩn, nhóm đã thấy công suất nhận được yêu cầu giảm 37 decibel — nói cách khác, chỉ yêu cầu khoảng 0,02% lượng photon cần thiết trước đây. Cải tiến này thậm chí có thể cho phép đo lường các vệ tinh ở xa ở cấp độ nanomet trong tương lai và nhóm đang khám phá cách lược tần số có thể lập trình theo thời gian của nó có thể mang lại lợi ích cho các ứng dụng cảm biến lược tần số khác.

Để biết thêm thông tin: www.nist.gov