Apró, stabil és szuper pontos óraszerkezetet fejleszt az UCLA

Az új optikai mikrooszcillátor az időmérés, a navigáció és az érzékelés új generációs alkalmazásaihoz nyitja meg az utat

2017. szeptember 25., hétfő, 06:00

Címkék: fejlesztés kutatás kutatás-fejlesztés mérés méréstechnika optikai mérés UCLA

Az UCLA és az OEWaves kutatómérnökeiből álló csapat új optikai mikrooszcillátort fejlesztett ki, amely az óraszerkezetek kulcsfontosságú időmérő részegysége lehet. Az új fejlesztés nagymértékben javíthatja az időmérés pontosságát, ami nélkülözhetetlen az űrutazás, az autonóm járművek fejlesztése vagy a műholdas kommunikáció során.

Az optikai oszcillátor működési elve hasonlatos nagyapáink ingaóráihoz, de az időméréshez a lengő mozgás helyett „tik” gyanánt a lézer nagyon magas frekvenciája vagy másodpercenkénti ciklusai számítanak. Az új „optikai inga” egy olyan lézerfény, amely egy nagyon csendes rezonátorban helyezkedik el, lehetővé téve a fény visszafordítását anélkül, hogy az elveszítené az energiáját. Az optikai oszcillátorok ezen csoportja rendkívül pontosnak számít, ám jellemzően nagy méretű – egy háztartási konyhagépnek megfelelő – berendezések, és tárolásuk csak teljesen stabil laboratóriumi körülmények között történhet.

Az új oszcillátor is laboratóriumi stabilitást mutat, de elég kicsi és könnyű ahhoz, hogy potenciálisan műholdakba építsék, autók szuperpontos navigációját segítse elő, ultraprecíz méréseket lehessen vele végrehajtani, vagy akár egy olyan mindennapos eszközben is felhasználják, mint az okostelefonok. A jelenleg a laboratóriumi körülményeken kívül használt legpontosabb – luxuskarórákban, számítógépekben és okostelefonokban megtalálható – kvarckristály oszcillátorokhoz képest nagyságrendekkel jobb a pontossága. A fejlesztés során felhasználták a londoni Szent Pál-székesegyházban felfedezett jelenséget is.

A kutatók véleménye szerint az új fejlesztés űrhajók és a műholdak miniatürizált atomóráiban alkalmazható, ahol kulcsfontosságú a pontos navigáció, felhasználható autók és más járművek precíziós távolság- és forgásérzékelésére, valamint a nagy felbontású optikai spektroszkópiában, amely a molekuláris és atomi struktúrák megjelenítésére szolgál.

„A hőmérséklet vagy a nyomás bármilyen csekély ingadozása megváltoztathatja az oszcillátorok méretét és így a lézersugár mozgását, végső soron pedig az oszcilláció pontosságát – jelentette ki Chee Wei Wong, az UCLA elektrotechnika-professzora. – Gondoljunk csak arra, amikor egy ajtókeret a hőmérséklet-változás miatt kitágul, vagy összehúzódik. Az optikai oszcillátorok pontosságát – azok apró méreteinél fogva – a legkisebb méretváltozás is befolyásolhatja.”

A kutatócsoport által kifejlesztett új oszcillátor pontos és stabil. A fény frekvenciája mindössze a tízmilliárdod részével változhat, az oszcillátor mérete ugyanakkor 1 köbcentiméter térfogatúra csökkent. Az optikai órák méretének és súlyának csökkentésében, így azok laboratóriumokon kívül történő használatában kulcsfontosságú jelentősége volt a miniatűr stabilizált lézernek. A kutatócsoport optikai oszcillátora háromszor-ötször stabilabb, mint a meglévő eszközök, mivel működését nem befolyásolja a hőmérséklet és a nyomás szélsőséges ingadozása. Kísérleti eredmények alapján a kutatók azt feltételezik, hogy a stabilitás akár hatvanszor jobb is lehet.

Általában már az atmoszferikus hőmérséklet vagy nyomás apró változásai is mérési bizonytalanságot okoznak. Az apró oszcillátor forradalmi változásokat okozhat a mérési és navigációs műszerekben, amelyek olyan területeken használatosak, ahol a hőmérséklet és a nyomás nem szabályozható, sőt drasztikusan megváltozhat.

Az optikai mikrooszcillátor úgy érheti el ezt a pontossági szintet, hogy a lézerfényt az ún. „suttogó galéria” elvén alapuló rezonancia alkalmazásával belül korlátozza le. Az elv hasonlatos ahhoz, mint amikor a londoni Szent Pál-székesegyház kupolájában a fal felé suttogunk valamit, ami aztán a kupola másik oldalán is tisztán hallható. A jelenséget a Szent Pál-székesegyházban figyelték meg először (innen származik az elnevezés is), de a New York-i nagy központi pályaudvarban is hallható. Az oszcillátor esetében a lézerfény a mikrorezonátor speciálisan tervezett belseje mentén terjed. A frekvencia stabil marad, mivel a mikrorezonátor ellenáll a hőmérséklet és nyomás változásainak. A fénysugarak pedig nagyon elkülönülnek, ahelyett, hogy elmosódnának.

www.ucla.edu

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek