Microkammen hebben zeer uiteenlopende toepassingsgebieden:ze kunnen ons helpen planeten buiten ons zonnestelsel te ontdekken en ziekten in ons lichaam op te sporen. Nieuwe onderzoeksresultaten aan de Chalmers University of Technology, Zweden, geven nu een dieper inzicht in hoe de lijndikte in de kammen werkt, iets dat onder andere in de toekomst nog nauwkeurigere metingen mogelijk zal maken. En de ontdekking werd bijna bij toeval gedaan.

Een liniaal van licht is de vereenvoudigde beschrijving van een microkam. Kortom, het principe is gebaseerd op een laser die licht uitzendt dat circuleert in een kleine holte, een zogenaamde microresonator. Daar wordt het licht verdeeld in verschillende kleuren of frequenties. De frequenties zijn precies gelokaliseerd, vergelijkbaar met de markeringen op een liniaal.

Tegenwoordig kunnen vrijwel alle optische metingen worden gekoppeld aan lichtfrequenties, en dit geeft de microkammen een overvloed aan verschillende toepassingsgebieden - alles van het kalibreren van instrumenten die signalen op lichtjaar afstand meten, tot het identificeren en bijhouden van onze gezondheid via de lucht die we ademen uit.

Nieuwe inzichten in de lijnen van de frequentiekam

"Laserfrequentiekammen hebben een revolutie teweeggebracht in onderzoek dat gebaseerd is op frequentiemetrologie", zegt Victor Torres Company, professor aan de afdeling Microtechnologie en Nanowetenschappen, MC2, aan de Chalmers University of Technology.

Een belangrijke vraag bij het werken met microkammen is hoe smal de frequentiekamlijnen zijn. Tot een paar jaar geleden was de heersende opvatting dat de lijnen niet smaller kunnen zijn dan het ingangslicht van de laser. Toen onderzoekers dit dieper gingen onderzoeken, werd ontdekt dat de lijnen die verder van de laser verwijderd zijn, iets breder zijn dan de centraal gelegen lijnen. Als reden hiervoor werd gedacht aan ruisbronnen in de microresonator.

Toen Fuchuan Lei, onderzoeker bij MC2, deze theorieën testte en de experimenten uitvoerde met apparaten die waren gefabriceerd in de MC2 Nanofabrication Laboratory-faciliteiten, ontdekte hij dat sommige lijnen in feite smaller waren dan het licht van de laserbron zelf. Hij traceerde alle ruisbronnen die de lijnbreedte of de zuiverheid van de lijnen kunnen beïnvloeden, herhaalde de experimenten en kreeg steeds hetzelfde resultaat.

Een nieuwe theorie op zijn plaats

"We begrepen niet waarom, maar op basis van deze resultaten hebben we een theoretisch model ontwikkeld dat uitlegde wat er gebeurde, simulaties uitvoerde en via experimenten bevestigde dat ons model correct was", zegt Victor Torres Company. "Eerder was het niet duidelijk hoe de verschillende ruismechanismen de lijnbreedte van de kamlijnen in de microkam zouden beïnvloeden."

"Eerst dachten we dat er iets mis moest zijn, maar toen we eenmaal onze theorie op orde hadden, was alles duidelijk", zegt Fuchuan Lei.

Hoe smal de markeringen in een microkam zijn, is van groot belang voor het gebruik ervan. Een microkam met nauw geplaatste markeringen zorgt voor nog nauwkeurigere metingen, en daarom is het belangrijk om te begrijpen waarom de lijnen smaller zijn bij de ontwikkeling van microkammen. Victor Torres Company vergelijkt het met linialen gemaakt van verschillende soorten materialen.

Mogelijk om nauwkeuriger te meten

"Stel je voor dat je markeringen zou tekenen met wat krijt versus als je het met een potlood zou doen. Je kunt een raster definiëren, je kunt de afstand bepalen, maar met een potlood kun je nauwkeuriger meten, want dan heb je je liniaal met heel goed- gedefinieerde markeringen", zegt hij.

Wat oorspronkelijk een interessante curiositeit was die door de onderzoekers werd ontdekt, onthulde de fysieke mechanismen die ervoor zorgen dat de lijnen in de microkam variëren in lijnbreedte.

"Dankzij ons onderzoek en onze publicatie zullen degenen die met het ontwerp van dit soort apparaten werken, begrijpen hoe de verschillende geluidsbronnen de verschillende parameters en de prestaties van de microkam beïnvloeden", zegt Victor Torres Company.

Het artikel, "Optical linewidth of soliton microcombs", is gepubliceerd in Nature Communications . + Verder verkennen

Nieuwe microkam kan helpen bij het ontdekken van exoplaneten en het opsporen van ziekten