.
Uma melhoria em uma tecnologia vencedora do Prêmio Nobel chamada pente de frequência permite medir os tempos de chegada do pulso de luz com maior sensibilidade do que era possível anteriormente – melhorando potencialmente as medições de distância junto com aplicações como tempo de precisão e sensoriamento atmosférico.
A inovação, criada por cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), representa uma nova maneira de usar a tecnologia de pente de frequência, que os cientistas chamaram de “pente de frequência programável no tempo”. Até agora, os lasers de pente de frequência precisavam criar pulsos de luz com regularidade metronômica para alcançar seus efeitos, mas a equipe do NIST mostrou que manipular o tempo dos pulsos pode ajudar os pentes de frequência a fazer medições precisas sob um conjunto mais amplo de condições do que era possível .
“Nós essencialmente quebramos essa regra de pentes de frequência que exige que eles usem um espaçamento de pulso fixo para operação de precisão”, disse Laura Sinclair, física do campus de Boulder do NIST e uma das autoras do artigo. “Ao mudar a forma como controlamos os pentes de frequência, nos livramos das trocas que tínhamos que fazer, então agora podemos obter resultados de alta precisão, mesmo que nosso sistema tenha apenas um pouco de luz para trabalhar.”
O trabalho da equipe é descrito na revista Natureza.
Muitas vezes descrito como uma régua para luz, um pente de frequência é um tipo de laser cuja luz consiste em muitas frequências bem definidas que podem ser medidas com precisão. Olhando para o espectro do laser em uma tela, cada frequência se destacaria como um dente de um pente, dando à tecnologia seu nome. Depois de ganhar a Jan Hall do NIST uma parte do Prêmio Nobel de Física de 2005, os pentes de frequência encontraram uso em várias aplicações, desde cronometragem de precisão até encontrar planetas semelhantes à Terra e detecção de gases de efeito estufa.
Apesar de seus muitos usos atuais, os pentes de frequência possuem limitações. O artigo da equipe é uma tentativa de abordar algumas das limitações que surgem ao usar pentes de frequência para fazer medições precisas fora do laboratório em situações mais desafiadoras, onde os sinais podem ser muito fracos.
Desde logo após a sua invenção, os pentes de frequência permitiram medições de distância altamente precisas. Em parte, essa precisão decorre da ampla gama de frequências de luz que os pentes usam. O radar, que usa ondas de rádio para determinar a distância, tem precisão de centímetros a muitos metros, dependendo da largura de pulso do sinal. Os pulsos ópticos de um pente de frequência são muito mais curtos que os de rádio, potencialmente permitindo medições precisas de nanômetros (nm), ou bilionésimos de metro – mesmo quando o detector está a muitos quilômetros do alvo. O uso de técnicas de pente de frequência poderia eventualmente permitir a formação precisa de satélites para detecção coordenada da Terra ou do espaço, melhorando o GPS e suportando outras aplicações de navegação e temporização ultraprecisas.
A medição de distância usando pentes de frequência requer dois pentes cujo tempo de pulso dos lasers é bem coordenado. Os pulsos de um pente laser são refletidos em um objeto distante, assim como o radar usa ondas de rádio, e o segundo pente, ligeiramente deslocado no período de repetição, mede seu tempo de retorno com grande precisão.
A limitação que vem com essa grande precisão está relacionada à quantidade de luz que o detector precisa receber. Pela natureza de seu design, o detector só pode registrar fótons do laser de alcance que chegam ao mesmo tempo que os pulsos do laser do segundo pente. Até agora, devido ao pequeno deslocamento no período de repetição, havia um período relativamente longo de “tempo morto” entre essas sobreposições de pulsos, e quaisquer fótons que chegassem entre as sobreposições eram informações perdidas, inúteis para o esforço de medição. Isso tornou alguns alvos difíceis de ver.
Os físicos têm um termo para suas aspirações neste caso: eles querem fazer medições no “limite quântico”, o que significa que podem levar em conta todos os fótons disponíveis que carregam informações úteis. Mais fótons detectados significam maior capacidade de detectar mudanças rápidas na distância de um alvo, um objetivo em outras aplicações de pente de frequência. Mas, apesar de todas as suas realizações até hoje, a tecnologia de pente de frequência operou longe desse limite quântico.
“Os pentes de frequência são comumente usados para medir quantidades físicas como distância e tempo com extrema precisão, mas a maioria das técnicas de medição desperdiça a grande maioria da luz, 99,99% ou mais”, disse Sinclair. “Em vez disso, mostramos que, usando esse método de controle diferente, você pode se livrar desse desperdício. Isso pode significar um aumento na velocidade de medição, na precisão ou permitir o uso de um sistema muito menor.”
A inovação da equipe envolve a capacidade de controlar o tempo dos pulsos do segundo pente. Os avanços na tecnologia digital permitem que o segundo pente “bloqueie” os sinais de retorno, eliminando o tempo morto criado pela abordagem de amostragem anterior. Isso ocorre apesar do fato de que o controlador deve encontrar uma “agulha no palheiro” – os pulsos são comparativamente breves, durando apenas 0,01% do tempo morto entre eles. Após uma aquisição inicial, se o alvo se mover, o controlador digital pode ajustar a saída de tempo de forma que os pulsos do segundo pente acelerem ou diminuam. Isso permite que os pulsos se realinhem, de modo que os pulsos do segundo pente sempre se sobreponham aos que retornam do alvo. Essa saída de tempo ajustada é exatamente o dobro da distância até o alvo e é retornada com a característica de precisão pontual dos pentes de frequência.
O resultado desse pente de frequência programável no tempo, como a equipe o chama, é um método de detecção que faz o melhor uso dos fótons disponíveis – e elimina o tempo morto.
“Descobrimos que podemos medir o alcance de um alvo rapidamente, mesmo que tenhamos apenas um sinal fraco voltando”, disse Sinclair. “Como cada fóton retornado é detectado, podemos medir a distância perto do limite quântico padrão com precisão”.
Em comparação com o alcance padrão de pente duplo, a equipe viu uma redução de 37 decibéis na energia recebida necessária – em outras palavras, exigindo apenas cerca de 0,02% dos fótons necessários anteriormente.
A inovação pode até permitir futuras medições em nível de nanômetros de satélites distantes, e a equipe está explorando como seu pente de frequência programável no tempo pode beneficiar outras aplicações de detecção de pente de frequência.
.
