Frecvența laserului, citită dintr-o singură imagine care se rotește
O echipă internațională de fizicieni a dezvoltat o metodă de determinare a culorii precise a luminii laser cu ajutorul unei imagini care se rotește atunci când frecvența laserului se schimbă. Rezultatul ar putea oferi un mod nou de a garanta că laserele rămân „blocate” pe frecvențele cerute de tehnologii precum poziționarea GPS sau senzorii cuantici și ar putea stimula progrese în spectroscopie, magnetometrie și comunicațiile cuantice.
Studiul, publicat în revista Optica, este condus de University of Glasgow, iar echipa descrie o metodă de stabilire a frecvenței unui fascicul laser dintr-o singură captură.
Rubidiul transformă frecvența în rotație
Procedeul pornește de la două fascicule laser configurate diferit, trimise printr-un gaz de atomi de rubidiu aflat într-o celulă de sticlă. Primul fascicul provine de la un laser obișnuit, cu o singură polarizare, al cărui câmp electric oscilează într-o direcție uniformă. Al doilea folosește lumină structurată, numită fascicul vectorial, cu un profil de intensitate în formă de inel, a cărui polarizare se schimbă în fiecare punct de pe circumferință.
Când primul fascicul traversează atomii de rubidiu, câmpul său electric îi aliniază, aducând aproximativ 90% dintre ei într-o singură stare cuantică. Această aliniere influențează modul în care atomii răspund la polarizarea luminii structurate din cel de-al doilea fascicul, care străbate gazul din direcția opusă. Interacțiunea dintre lumină și atomii de rubidiu devine mai puternică sau mai slabă pe măsură ce frecvența laserului se apropie ori se îndepărtează de rezonanța naturală a atomilor, modificând structura de polarizare a luminii.
Efectul este vizualizat separând lumina emergentă în componente de polarizare diferite și captând imaginile rezultate cu o cameră digitală. Semnele modului în care atomii au afectat fasciculul structurat apar în imagine ca un model de „lobi” luminoși în jurul formei inelare a laserului. Pe măsură ce frecvența se schimbă, lobii se rotesc în jurul inelului, iar când absorbția luminii polarizate se modifică, ei devin mai luminoși sau mai întunecați.
O imagine înlocuiește o singură trasee
Professor Sonja Franke-Arnold de la School of Physics & Astronomy a University of Glasgow, care a condus cercetarea, a declarat că atomii răspund la lumină la frecvențe caracteristice foarte precise, iar această proprietate este folosită de multă vreme ca standard absolut de frecvență în sisteme care cer acuratețe absolută, precum ceasurile atomice. Aproape toate tehnicile actuale de măsurare a frecvenței implică citirea unei singure trasee pe un fotodetector, căreia i se blochează laserul.
Richard Aguiar Maduro de la School of Physics & Astronomy, primul autor al lucrării, a explicat că în noua cercetare atomii sunt sondat cu o imagine, iar modul în care aceasta se schimbă odată cu frecvența este urmărit. O imagine conține mult mai multă informație decât un singur semnal, ceea ce deschide o cale complet nouă de determinare a frecvențelor.
Rotația dezvăluie derivă frecvenței
Legătura dintre frecvența laserului și rotația imaginii permite echipei să măsoare cât de bine corespunde frecvența rezonanței atomice a gazului de rubidiu. Cercetătorii au constatat că o schimbare de 1 megahertz a frecvenței produce o rotație de aproape 6 grade a imaginii.
Tehnica este în prezent mai puțin precisă decât cele mai exacte metode de măsurare a frecvenței, care pot detecta variații de ordinul kilohertzilor. Cercetătorii lucrează însă la îmbunătățirea preciziei dincolo de nivelul sub-megahertz demonstrat în lucrare și se declară încrezători că sistemul poate fi reglat fin. Metoda este sensibilă și la variațiile câmpurilor magnetice, ceea ce ar putea deschide noi aplicații de detectare.
Echipa susține că rezultatele ar putea ajuta la dezvoltarea unui nou tip de magnetometru, capabil să realizeze hărți tridimensionale ale câmpurilor magnetice pornind de la o singură imagine, sau la crearea unor medii de stocare pentru entanglarea hibridă a luminii, folosite în rețelele cuantice securizate.
Formă, polarizare și frecvență, legate între ele
Franke-Arnold a adăugat că ceea ce entuziasmează cel mai mult este legătura stabilită între trei grade diferite de libertate ale unui fascicul de lumină: forma, polarizarea și frecvența. În mod normal, un model spațial de lumină nu ar trebui să fie afectat deloc de frecvență sau de câmpurile magnetice, dar în acest caz este, ceea ce reprezintă o corelație puternică. Rezultatele oferă o metodă nouă, neexplorată până acum, iar echipa este nerăbdătoare să afle cât de departe poate ajunge.
La cercetare au contribuit și Dr. Sphinx Svensson și Craig Millar de la University of Glasgow, precum și cercetători de la Fraunhofer Centre for Applied Photonics, Physikalisch-Technische Bundesanstalt și TU Braunschweig, care sunt și coautori ai lucrării.
