Pour innover avec les peignes de fréquence, une innovation du NIST joue avec le rythme

Une amélioration d’une technologie lauréate du prix Nobel appelée peigne de fréquence lui permet de mesurer les temps d’arrivée des impulsions lumineuses avec une plus grande sensibilité qu’auparavant – améliorant potentiellement les mesures de distance ainsi que des applications telles que la synchronisation de précision et la détection atmosphérique.

L’innovation, créée par des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST), représente une nouvelle façon d’utiliser la technologie des peignes de fréquence, que les scientifiques ont qualifiée de “peigne de fréquence programmable dans le temps”. Jusqu’à présent, les lasers à peigne de fréquence devaient créer des impulsions lumineuses avec une régularité métronomique pour obtenir leurs effets, mais l’équipe du NIST a montré que la manipulation de la synchronisation des impulsions peut aider les peignes de fréquence à effectuer des mesures précises dans un ensemble de conditions plus large que ce qui était possible. .

“Nous avons essentiellement enfreint cette règle des peignes de fréquence qui exige qu’ils utilisent un espacement d’impulsions fixe pour un fonctionnement de précision”, a déclaré Laura Sinclair, physicienne au campus Boulder du NIST et l’un des auteurs de l’article. “En changeant la façon dont nous contrôlons les peignes de fréquence, nous nous sommes débarrassés des compromis que nous devions faire, nous pouvons donc maintenant obtenir des résultats de haute précision même si notre système n’a que peu de lumière pour travailler.”

Le travail de l’équipe est décrit dans le journal La nature.

Souvent décrit comme une règle pour la lumière, un peigne de fréquence est un type de laser dont la lumière se compose de nombreuses fréquences bien définies qui peuvent être mesurées avec précision. En regardant le spectre du laser sur un écran, chaque fréquence se détacherait comme une dent d’un peigne, donnant son nom à la technologie. Après avoir valu à Jan Hall du NIST une partie du prix Nobel de physique 2005, les peignes de fréquence ont trouvé une utilisation dans un certain nombre d’applications allant du chronométrage de précision à la recherche de planètes semblables à la Terre à la détection des gaz à effet de serre.

Malgré leurs nombreuses utilisations actuelles, les peignes de fréquence présentent des limites. L’article de l’équipe tente de remédier à certaines des limitations qui surviennent lors de l’utilisation de peignes de fréquence pour effectuer des mesures précises en dehors du laboratoire dans des situations plus difficiles, où les signaux peuvent être très faibles.

Peu de temps après leur invention, les peignes de fréquence ont permis des mesures de distance très précises. En partie, cette précision découle du large éventail de fréquences de lumière utilisées par les peignes. Le radar, qui utilise des ondes radio pour déterminer la distance, est précis de quelques centimètres à plusieurs mètres selon la largeur d’impulsion du signal. Les impulsions optiques d’un peigne de fréquence sont beaucoup plus courtes que la radio, ce qui permet potentiellement des mesures précises au nanomètre (nm) ou au milliardième de mètre, même lorsque le détecteur est à plusieurs kilomètres de la cible. L’utilisation de techniques de peigne de fréquence pourrait éventuellement permettre un vol en formation précis de satellites pour une détection coordonnée de la Terre ou de l’espace, améliorer le GPS et prendre en charge d’autres applications de navigation et de synchronisation ultra-précises.

La mesure de distance à l’aide de peignes de fréquence nécessite deux peignes dont la synchronisation des impulsions des lasers est étroitement coordonnée. Les impulsions d’un laser à peigne rebondissent sur un objet lointain, tout comme le radar utilise des ondes radio, et le deuxième peigne, légèrement décalé dans la période de répétition, mesure leur synchronisation de retour avec une grande précision.

La limitation qui accompagne cette grande précision concerne la quantité de lumière que le détecteur doit recevoir. De par sa conception, le détecteur ne peut enregistrer que les photons du laser de télémétrie qui arrivent en même temps que les impulsions du laser du second peigne. Jusqu’à présent, en raison du léger décalage de la période de répétition, il y avait une période de “temps mort” relativement longue entre ces chevauchements d’impulsions, et tous les photons arrivés entre les chevauchements étaient des informations perdues, inutiles à l’effort de mesure. Cela rendait certaines cibles difficiles à voir.

Les physiciens ont un terme pour leurs aspirations dans ce cas : ils veulent faire des mesures à la « limite quantique », ce qui signifie qu’ils peuvent tenir compte de chaque photon disponible qui contient des informations utiles. Plus de photons détectés signifient une plus grande capacité à repérer les changements rapides de distance par rapport à une cible, un objectif dans d’autres applications de peigne de fréquence. Mais malgré toutes ses réalisations à ce jour, la technologie du peigne de fréquence a fonctionné loin de cette limite quantique.

“Les peignes de fréquence sont couramment utilisés pour mesurer des quantités physiques telles que la distance et le temps avec une extrême précision, mais la plupart des techniques de mesure gaspillent la grande majorité de la lumière, 99,99 % ou plus”, a déclaré Sinclair. «Nous avons plutôt montré qu’en utilisant cette méthode de contrôle différente, vous pouvez vous débarrasser de ces déchets. Cela peut signifier une augmentation de la vitesse de mesure, de la précision, ou cela permet d’utiliser un système beaucoup plus petit.

L’innovation de l’équipe implique la capacité de contrôler la synchronisation des impulsions du deuxième peigne. Les progrès de la technologie numérique permettent au deuxième peigne de se “verrouiller” sur les signaux de retour, éliminant ainsi le temps mort créé par l’approche d’échantillonnage précédente. Cela se produit malgré le fait que le contrôleur doit trouver une «aiguille dans une botte de foin» – les impulsions sont relativement brèves, ne durant que 0,01% aussi longtemps que le temps mort les sépare. Après une acquisition initiale, si la cible se déplace, le contrôleur numérique peut ajuster la sortie de temps de sorte que les impulsions du deuxième peigne s’accélèrent ou ralentissent. Cela permet aux impulsions de se réaligner, de sorte que les impulsions du deuxième peigne se chevauchent toujours avec celles qui reviennent de la cible. Cette sortie de temps ajustée est exactement le double de la distance à la cible, et elle est renvoyée avec la caractéristique de précision extrême des peignes de fréquence.

Le résultat de ce peigne de fréquence programmable dans le temps, comme l’appelle l’équipe, est une méthode de détection qui utilise au mieux les photons disponibles et élimine les temps morts.

“Nous avons découvert que nous pouvions mesurer rapidement la portée d’une cible, même si nous n’avons qu’un signal faible qui revient”, a déclaré Sinclair. “Étant donné que chaque photon qui revient est détecté, nous pouvons mesurer la distance près de la limite quantique standard en précision.”

Par rapport à la télémétrie standard à double peigne, l’équipe a constaté une réduction de 37 décibels de la puissance reçue requise, en d’autres termes, ne nécessitant qu’environ 0,02 % des photons nécessaires auparavant.

L’innovation pourrait même permettre de futures mesures au niveau nanométrique de satellites distants, et l’équipe étudie comment son peigne de fréquence programmable dans le temps pourrait bénéficier à d’autres applications de détection de peigne de fréquence.

ED Caldwell, LC Sinclair, NR Newbury et J.-D. Deschênes. Le peigne de fréquence programmable dans le temps et son utilisation dans la gamme limitée quantique. La nature. Publié en ligne le 5 octobre 2022. DOI : 10.1038/s41586-022-05225-8