Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки (KRISS) успешно разработал систему измерения линейных расстояний, которая обеспечивает уровень точности, приближающийся к теоретическому пределу, допускаемому квантовой физикой. Система обладает лучшей в мире точностью измерений при компактной и надежной конструкции, пригодной для использования в полевых условиях. Все это делает ее отличным кандидатом на роль эталона следующего поколения в области метрологии. Работа опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.
В настоящее время в развитых странах существуют национальные эталоны длины, которые определяют единицу измерения в один метр. Эти приборы, эксплуатируемые ведущими национальными метрологическими институтами, включая KRISS, используют интерферометры на основе лазеров с постоянной длиной волны. Одноволновые лазеры характеризуются чрезвычайно равномерным распределением волн — подобно равномерно расположенным отметкам на линейке — что обеспечивает точность измерений в нанометровом масштабе (1-10 нм, или одна миллиардная часть метра).
Однако стандарты для измерения длины ограничены в диапазоне расстояний, которые они могут измерять одновременно, поскольку лазеры с одной длиной волны имеют очень узкую полосу спектра. Говоря простыми словами, разметка на линейке очень частая, но сама линейка — короткая.
Для определения расстояний, выходящих за пределы диапазона длин волн лазера, необходимо сложить несколько повторных измерений, что значительно увеличивает общее время измерения. Для стабильного, не допускающего сбоев перемещения интерферометра также требуются точные механические системы, что приводит к значительным временным и пространственным ограничениям, удорожанию метрологического оборудования и сложности его эксплуатации.
Системы измерения абсолютных расстояний предназначены для определения больших расстояний за одну операцию, хотя и с меньшей точностью. Эти системы проводят расчеты, посылая световой импульс от контрольной точки к цели и измеряя время, необходимое для возврата.
Благодаря этому относительно простому методу системы могут быть уменьшены в размерах и способны выполнять быстрые измерения на больших расстояниях, что делает их востребованными в промышленности, научных лабораториях, геодезии, строительстве и т.д.
Однако обычные системы измерения абсолютного расстояния ограничены точностью всего в несколько микрометров, поскольку оценка времени прохождения света с высоким разрешением остается чрезвычайно сложной задачей даже при использовании современных технологий. Скорость света слишком велика для традиционной дальномерной техники.
Группа по метрологии длин и габаритов института KRISS успешно повысила точность систем измерения абсолютных расстояний до уровня национальных стандартов, применив интерферометр на основе оптической частотной гребенки (optical frequency comb, сокращенно OFC).
Исследовательская группа разработала метод интеграции OFC в систему измерения абсолютных расстояний на основе спектральной интерферометрии. Оптическая частотная гребенка представляет собой спектр, состоящий из тысяч дискретных, равномерно расположенных частотных линий, похожих на клавиши очень длинного фортепьяно. В отличие от обычных интерферометрических источников света, оптические частотные гребенки обладают как широкой спектральной полосой пропускания, так и точно разнесенными длинами волн, что позволяет проводить одновременные высокоточные измерения на больших расстояниях.
Система измерения абсолютного расстояния, основанная на оптической частотно-гребенчатой спектральной интерферометрии, разработанная исследовательской группой KRISS, сочетает в себе точность национальных стандартов длины с удобством систем абсолютного измерения. Система достигает точности в 0,34 нанометра, что представляет собой один из самых высоких уровней точности среди существующих технологий и приближается к квантово-ограниченной точности, определяемой законами физики.
Благодаря длительности одного измерения всего в 25 микросекунд интерферометр работает достаточно быстро и надежно для использования в полевых условиях, предлагая значительный потенциал для повышения точности метрологии в высокотехнологичных отраслях промышленности.
Конкурентоспособность будущих отраслей, таких как производство полупроводников с искусственным интеллектом, квантовых компьютеров, биотехнологических материалов зависит от способности разработчика точно измерять и контролировать расстояния в нанометровом масштабе. При этом пропорции габаритов электронных компонентов и наноматериалов может быть весьма внушительным (например, длина детали может на несколько порядков превосходить ширину и толщину). Интерферометры на базе частотной гребенки безукоризненно справляются с замерами абсолютных расстояний в любом контексте. Наше достижение знаменует собой значительный шаг для Кореи на пути к тому, чтобы стать ведущей страной в создании оборудования следующего поколения с ювелирно точным контролем технологических параметров на всех этапах конструирования и производства.
Точность измерений важна не только на Земле. Читайте в недавнем материале Hi-Tech Mail, как ученым удалось достоверно измерить электронную плотность ионосферы Марса, использовав два орбитальных аппарата вместо одного.
