Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки успешно разработал систему измерения длины, которая достигает уровня точности, приближающегося к теоретическому пределу, установленному квантовой физикой.
Система измерения длины нового поколения
Система может похвастаться точностью измерений, лидирующей в мире, 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](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202401995) в журнале Laser & Photonics Reviews.
В настоящее время наиболее точные инструменты для измерения длины — это национальные стандарты измерения длины, которые определяют единицу измерения в один метр. Эти инструменты, управляемые ведущими национальными институтами метрологии, включая KRISS, используют интерферометры на основе одноволновых лазеров для выполнения сверхточных измерений длины.
Одноволновые лазеры характеризуются чрезвычайно равномерным распределением волн — подобно равномерно расположенным отметкам на линейке, 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. Другими словами, хотя их разметка на линейке очень тонкая, сама линейка короткая.
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
В отличие от этого, системы измерения абсолютных расстояний предназначены для измерения больших расстояний за одну операцию, хотя и с меньшей точностью. Эти системы обычно рассчитывают расстояние, испуская световой импульс из исходной точки в цель и измеряя время, необходимое для возвращения.
Благодаря этому относительно простому методу системы могут быть миниатюризированы и способны к быстрым измерениям на больших расстояниях, что делает их широко используемыми в промышленных условиях. Однако обычные системы измерения абсолютных расстояний ограничены точностью всего в несколько микрометров (мкм), поскольку измерение времени пролёта (ToF) света с ультратонким разрешением остаётся чрезвычайно сложной задачей с использованием современных технологий.
Группа метрологии длины и размеров в KRISS успешно повысила точность систем измерения абсолютных расстояний до уровня национальных стандартов длины, используя интерферометр на основе гребёнки оптических частот (ОЧК).
Исследовательская группа разработала метод интеграции ОЧК 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, гребёнки оптических частот обладают как широкой спектральной полосой пропускания, так и точно расположенными длинами волн, что позволяет проводить одновременные 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 с удобством 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.
При 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 следующего поколения.
Доктор Чан Юн-Су, старший исследователь группы метрологии длины и размеров 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 следующего поколения».
Предоставлено Национальным исследовательским советом науки и технологий.