Bagaimanakah "Pembaris Cahaya" Mengukur Frekuensi?

Mengukur panjang dengan pembaris mudah kerana tanda pada pembaris mempunyai jarak yang diketahui. Ahli fizik menggunakan idea yang serupa untuk cahaya. Sisir frekuensi optik menghasilkan satu siri frekuensi yang tajam dan tersusun seperti tanda pada pembaris. Apabila kedudukan setiap gigi sisir diketahui, frekuensi cahaya yang belum diketahui boleh dibandingkan dengannya dengan ketepatan yang sangat tinggi. Atas sebab inilah NIST menyifatkan alat ini sebagai sejenis pembaris bagi cahaya.

Daripada denyutan kepada gigi frekuensi

Salah satu cara menghasilkan sisir frekuensi ialah menggunakan laser terkunci mod yang memancarkan deretan denyutan cahaya ultrasingkat pada sela masa yang tetap. Dalam domain masa, kita melihat denyutan yang berulang. Dalam domain frekuensi pula, cahaya yang sama terdiri daripada banyak garis frekuensi tajam dengan jarak yang seragam. Kedua-dua gambaran ini bukan dua fenomena berasingan, kerana kedua-duanya ialah cara berbeza untuk menerangkan isyarat yang sama.

Jarak antara gigi sisir sama dengan kadar pengulangan denyutan laser. Frekuensi gigi ke-n pula sama dengan n kali kadar pengulangan, ditambah satu frekuensi ofset pembawa-sampul. Nombor n itu ialah integer yang sangat besar. Oleh sebab kadar pengulangan dan frekuensi ofset terletak dalam julat yang boleh diukur secara elektronik, pengetahuan tentang n membolehkan frekuensi optik yang sangat tinggi ditentukan.

Mengapa perlu frekuensi ofset?

Gigi sisir tidak semestinya terletak tepat pada gandaan bulat kadar pengulangan. Dalam laser denyutan, gelombang pembawa optik dan sampul denyutan boleh berubah fasa secara relatif dari satu denyutan ke denyutan seterusnya, dan perubahan ini muncul dalam domain frekuensi sebagai frekuensi ofset. Untuk menjadikan sisir pembaris mutlak, bukan sekadar pembaris yang jarak tandanya diketahui tetapi titik mulanya tidak, ofset itu mesti ditentukan.

Salah satu teknik penting ialah rujukan kendiri. Jika spektrum sisir merentangi sekurang-kurangnya satu oktaf, iaitu frekuensi tertinggi sekurang-kurangnya dua kali frekuensi terendah, satu gigi pada bahagian frekuensi rendah boleh digandakan lalu dibandingkan dengan gigi pada bahagian frekuensi tinggi. Perbandingan f-2f ini membolehkan frekuensi ofset diperoleh.

Bagaimanakah frekuensi laser yang tidak diketahui diukur?

Andaikan sebuah laser menghasilkan cahaya yang frekuensinya hendak diukur. Cahaya itu digabungkan dengan sisir frekuensi pada pengesan cahaya. Laser yang tidak diketahui itu biasanya berada berhampiran salah satu gigi sisir, dan apabila kedua-duanya bertindih pada fotodiod, perbezaan frekuensi yang jauh lebih rendah menghasilkan isyarat pukul. Isyarat ini boleh diukur menggunakan elektronik. Secara konsep, frekuensi optik yang tidak diketahui sama dengan frekuensi gigi sisir yang berdekatan, ditambah atau ditolak frekuensi pukul.

Kita masih perlu mengetahui gigi yang mana satu, iaitu nilai n. Pengukuran awal yang kurang tepat boleh menentukan julat frekuensi dan mengenal pasti indeks gigi yang betul. Selepas itu, sisir menyediakan ukuran yang sangat halus.

Mengapa jam optik memerlukannya?

Jam atom optik menggunakan peralihan atom pada frekuensi sekitar ratusan terahertz, dan NIST memberikan contoh rujukan optik sekitar 500 THz. Elektronik biasa tidak boleh sekadar mengira setiap ayunan optik seperti pencacah mengira denyutan yang perlahan. Sisir frekuensi bertindak seperti rangkaian gear yang memindahkan kestabilan frekuensi optik kepada kadar pengulangan yang jauh lebih rendah dan boleh diukur. Sistem sisir femtosaat boleh menghubungkan frekuensi optik dengan domain gelombang mikro secara koheren dari segi fasa, dan inilah salah satu teknologi penting di sebalik jam atom optik moden.