Een team van technische onderzoekers van UCLA en OEWaves heeft een optische micro-oscillator ontwikkeld, een belangrijke tijdwaarnemingscomponent van klokken die de nauwkeurigheid van de tijdwaarneming enorm zou kunnen verbeteren, die essentieel is voor gebruik in ruimtevaartuigen, autodetectie of satellietcommunicatie.

Een optische oscillator is vergelijkbaar met een slinger in een staande klok, alleen in plaats van een zwaaiende beweging om de tijd te houden, zijn "tick" is de zeer hoge frequentie van de laser, of cycli per seconde. Deze "optische slinger" is een laserlicht dat is opgesloten in een zeer stille resonator waardoor het licht heen en weer kan kaatsen zonder zijn energie te verliezen. Deze klasse van optische oscillatoren is uiterst nauwkeurig. Echter, het zijn grote op zichzelf staande apparaten, ongeveer de grootte van een thuiskeukenoven, en moet in volledig stabiele laboratoriumomstandigheden worden bewaard.

De nieuwe oscillator heeft laboratoriumachtige stabiliteit, en is klein en licht genoeg om mogelijk in satellieten te worden ingebouwd, in auto's voor supernauwkeurige navigatie, voor ultrahoge precisiemetingen, of zelfs een alledaags apparaat zoals een smartphone. De verbetering is ordes van grootte beter in vergelijking met de beste die momenteel beschikbaar is buiten een laboratorium, die kwartskristaloscillatoren zijn in luxe polshorloges, computers en smartphones. Het nieuwe apparaat maakt ook gebruik van een fenomeen dat is ontdekt in de St. Paul's Cathedral in Londen.

De onderzoekers suggereren dat dit kan worden gebruikt in geminiaturiseerde atoomklokken voor ruimtevaartuigen en satellieten, waarvoor nauwkeurige timing belangrijk is voor navigatie. Het kan worden gebruikt voor nauwkeurige afstands- en rotatiedetectie voor auto's en andere voertuigen en voor optische spectroscopie met hoge resolutie, die wordt gebruikt om moleculaire en atomaire structuren in beeld te brengen.

"Elke schommelingen in temperatuur of druk kunnen de grootte van de oscillatoren veranderen, en verandert daarom hoe ver het laserlicht reist, en daarom, de nauwkeurigheid van de trilling, " zei Chee Wei Wong, hoogleraar elektrotechniek aan de UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science en de hoofdonderzoeker van het onderzoek.

Denk aan wanneer een deurkozijn uitzet of krimpt door temperatuurveranderingen. Op de kleine schaal van optische oscillatoren, zelfs de kleinste verandering in grootte kan de nauwkeurigheid beïnvloeden.

De nieuwe oscillator van het onderzoeksteam is nauwkeurig en stabiel. De lichtoscillatiefrequentie verandert niet meer dan 0,1 delen per miljard. Tegelijkertijd, ze hebben de grootte van de oscillator teruggebracht tot slechts 1 kubieke centimeter in volume.

"De miniatuur gestabiliseerde laser die in dit werk wordt gedemonstreerd, is een belangrijke stap in het verkleinen van de grootte, gewicht en kracht van optische klokken, en om hun beschikbaarheid buiten het laboratorium en voor veldtoepassingen mogelijk te maken, " zei Luit Maleki, CEO van OEwaves.

De optische oscillator van het onderzoeksteam is drie tot vijf keer stabieler dan bestaande apparaten en wordt niet beïnvloed tijdens extreme veranderingen in temperatuur en druk. Op basis van experimentele resultaten, de onderzoekers suggereren ook dat de stabiliteit wel 60 keer beter zou kunnen zijn.

"Gebruikelijk, zelfs kleine variaties van de atmosferische temperatuur of druk introduceren meetonzekerheid die een orde van grootte groter is dan de waargenomen effecten, " zei Jinkang Lim, een UCLA postdoctoraal onderzoeker in het Mesoscopic Optics and Quantum Electronics Laboratory en de hoofdauteur van het onderzoek. "We hebben onze resonator zorgvuldig ontworpen en geïsoleerd van de omgevingsfluctuaties. Toen observeerden we de minieme veranderingen en zagen dat deze stabiel bleef, zelfs met veranderingen in de omgeving.

"Deze kleine oscillator zou kunnen leiden tot meet- en navigatieapparatuur in het veld, waar temperatuur en druk niet worden gecontroleerd en drastisch veranderen, Lim voegde toe. "Deze nieuwe micro-oscillator kan zijn nauwkeurigheid behouden, zelfs met onvriendelijke omgevingsomstandigheden."

De optische micro-oscillator, werkt op dit niveau van nauwkeurigheid omdat het het laserlicht in zichzelf beperkt door gebruik te maken van wat bekend staat als "fluistergalerij-modus" resonantie, zo genoemd vanwege overeenkomsten met hoe iemand iets tegen de muren kan fluisteren in de koepel van de Londense St. Paul's Cathedral, waar dit fenomeen voor het eerst werd gemeld, dat zal volledig hoorbaar zijn aan de andere kant. Het fenomeen doet zich ook voor in het Grand Central Station in New York City. In dit geval, de laserlichtgolf plant zich voort langs het speciaal ontworpen interieur van de microresonator. Aanvullend, de frequentie blijft stabiel omdat de microresonator bestand is tegen veranderingen van temperatuur en druk. Eindelijk, de lichttrillingen zelf zijn zeer verschillend, in plaats van 'vaag'.