Voor signalen die nauwelijks groter zijn dan de ruis in een systeem, is meten over het algemeen een afweging tussen snelheid en precisie. Middeling over meerdere metingen vermindert de invloed van ruis maar kost (veel) tijd. Dat zou kunnen veranderen met een revolutionaire nieuwe meetmethode, bedacht door AMOLF-onderzoekers Kevin Peters en Said Rodriguez. Hun idee is gebaseerd op een niet-lineaire optische resonator, legt Rodriguez uit:"In deze sensor levert snellere meting een sterker signaal op." De theoretische uitwerking van deze nieuwe meetmethode is gepubliceerd in Physical Review Letters vandaag, 27 juni 2022. Voor een experimentele verkenning wordt samenwerking gezocht met bedrijven die snel en nauwkeurig willen meten met licht.

"Natuurkunde gaat over het nemen van metingen om informatie over een systeem te verzamelen of om onzekerheid over de toestand van een systeem te verminderen. Soms is precisie het belangrijkst - hoe zeker ben je dat er iets in het systeem is veranderd? In andere gevallen is snelheid het belangrijkste - hoe snel kun je informatie verzamelen? Bij de meeste detectoren gaat nauwkeurigheid ten koste van snelheid", zegt AMOLF-groepsleider Rodriguez. "Denk aan zoiets simpels als kijken naar een schilderij:als je het schilderij maar een paar seconden ziet, verzamel je veel minder informatie dan wanneer je het een paar minuten ziet. Met andere woorden:hoe langer we meten, hoe meer informatie die we verzamelen en hoe nauwkeuriger we de toestand van het systeem (het schilderij) kennen."

Ruis

Bij het meten van zeer kleine signalen is ook de invloed van ruis van belang. "Een typische optische detector, gebaseerd op een resonator of een holte, geeft een signaal af wanneer bijvoorbeeld een molecuul de resonator verstoort. Maar dit signaal kan zo klein zijn dat het nauwelijks groter is dan de ruis van de laser. Het signaal kan alleen gedetecteerd door meerdere metingen te middelen of door een langere meettijd te gebruiken", zegt Rodriguez, die samen met Ph.D. student Kevin Peters zoekt naar manieren om de invloed van ruis bij detectie met optische systemen te verminderen.

'Uitzonderlijk punt'

De onderzoekers vonden inspiratie voor hun unieke nieuwe meetconcept in een exotisch natuurkundig fenomeen dat voorkomt in open kwantumsystemen, zoals optische resonatoren die de aanwezigheid van moleculen of virussen meten. "Dergelijke systemen hebben complexe eigenwaarden die soms samenvallen. In dat geval spreken we van een 'uitzonderlijk punt' en de theorie suggereert dat metingen op precies zo'n punt veel gevoeliger zouden moeten zijn", zegt Rodriguez. "Het bleek echter dat, hoewel de signalen op deze 'uitzonderlijke punten' inderdaad werden versterkt, de ruis dat ook was. Bovendien is het bepalen van de exacte locatie van het uitzonderlijke punt om te meten een zeer gecompliceerde en omslachtige taak."

De onderzoekers realiseerden zich dat iets vergelijkbaars met de "uitzonderlijke punten" ook kon worden geïdentificeerd in de niet-lineaire optische holtes (een soort resonator) waarmee ze werken. Rodriguez:"Niet-lineaire holtes kunnen optische hysterese hebben. Als je het laservermogen verhoogt, wordt de lichtintensiteit in de holte op een bepaalde manier opgebouwd. Maar wanneer je het laservermogen verlaagt, verlaat de lichtintensiteit de holte op een andere manier. Dit resulteert in hysterese, vergelijkbaar met de magnetisatie van bepaalde materialen wanneer er een magnetisch veld op wordt aangelegd. We ontdekten dat het verschil in lichtintensiteit tussen de punten waar de hysterese opent en sluit, evenredig is met de vierkantswortel van de storing van de resonator (bijvoorbeeld veroorzaakt door een te meten molecuul). De meting van dit 'verschilsignaal' is dus erg gevoelig voor kleine verstoringen. Bovendien toonden we aan dat bij snellere metingen de invloed van ruis kleiner wordt, in tegenstelling tot naar wat er gebeurt bij conventionele meetmethoden."

Praktische haalbaarheid

De onderzoekers maakten theoretische berekeningen voor de voorgestelde sensor, maar dachten ook na over de praktische haalbaarheid. Het instellen van de juiste modulatiefrequentie voor metingen met de voorgestelde optische resonator is eenvoudig mogelijk met bestaande apparatuur. Daarom wil Rodriguez graag samenwerken met de industrie om het idee verder te onderzoeken en te gebruiken voor optische detectie. "Deze manier van meten is interessant voor allerlei toepassingen waar optische sensoren al in gebruik zijn", zegt hij. "Denk aan sensoren voor positie- of bewegingsbepaling, voor chemische metingen of voor het detecteren van nanodeeltjes. In feite kan alles waar je licht op schijnt en vervolgens meet wat eruit komt, baat hebben bij onze meer gevoelige niet-lineaire benadering." + Verder verkennen

Ruis gebruiken om optische waarneming te verbeteren