Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки (KRISS) успешно разработал систему измерения длины, которая достигает уровня точности, приближающегося к теоретическому пределу, установленному квантовой физикой.
Система измерения длины нового поколения
Система демонстрирует ведущую в мире точность измерений при сохранении компактной и надёжной конструкции, подходящей для использования в полевых условиях. Это делает её сильным кандидатом на роль нового эталона для метрологии длины следующего поколения. Работа опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.
В настоящее время наиболее точные приборы для измерения длины — это национальные стандарты измерения длины, которые определяют единицу измерения в один метр. Эти приборы, используемые ведущими национальными институтами метрологии, включая KRISS, основаны на интерферометрах с одноволновыми лазерами для выполнения сверхточных измерений длины.
Одноволновые лазеры характеризуются чрезвычайно равномерным распределением волн, что позволяет проводить измерения с точностью до нанометра (1–10 нм или одна миллиардная часть метра). Однако стандарты измерения длины ограничены диапазоном расстояний, которые они могут измерить одновременно, поскольку одноволновые лазеры имеют очень узкую спектральную полосу пропускания.
Для измерения расстояний за пределами диапазона длин волн лазера необходимо проводить несколько повторных измерений, что значительно увеличивает общее время измерения. Этот процесс также требует точных механических систем для стабильного перемещения интерферометра, что приводит к значительным временным и пространственным ограничениям.
Преодоление ограничений с помощью гребёнки оптических частот
Группа метрологии длины в KRISS успешно повысила точность систем измерения абсолютных расстояний до уровня национальных стандартов длины, используя интерферометр на основе гребёнки оптических частот (ОЧГ).
Исследовательская группа разработала метод интеграции ОЧГ в установку спектральной интерферометрии для измерения абсолютных расстояний. Гребёнка оптических частот — это спектр, состоящий из тысяч дискретных, равномерно расположенных частотных линий, подобно клавишам фортепиано. В отличие от обычных интерферометрических источников света, оптические гребёнки имеют как широкую спектральную полосу пропускания, так и точно расположенные длины волн, что позволяет одновременно проводить высокоточные измерения на больших расстояниях.
Система измерения абсолютных расстояний, основанная на спектральной интерферометрии с использованием гребёнки оптических частот, разработанная исследовательской группой KRISS, сочетает в себе точность национальных стандартов длины и удобство систем абсолютных измерений. Система достигает точности 0,34 нанометра, что представляет один из самых высоких уровней точности среди существующих технологий и приближается к точности, ограниченной квантовыми законами.
Благодаря скорости измерения 25 микросекунд (мкс) система работает достаточно быстро и надёжно для использования в полевых условиях, предлагая значительный потенциал для повышения точности метрологии в высокотехнологичных отраслях.
Исследовательская группа планирует продолжить разработку системы, оценивая её неопределённость измерений и совершенствуя её характеристики, с целью установления её в качестве национального стандарта длины нового поколения.
Доктор Чан Юн-Су, старший научный сотрудник группы метрологии длины в KRISS, подчеркнул: «Конкурентоспособность будущих отраслей, таких как полупроводники для искусственного интеллекта и квантовые технологии, зависит от способности точно измерять и контролировать расстояния на нанометровом уровне. Это достижение знаменует собой значительный шаг для Кореи на пути к тому, чтобы стать ведущей страной в установлении стандартов длины нового поколения».
Предоставлено Национальным исследовательским советом науки и технологий.