När man mäter varaktigheten för höghastighetsfysiska fenomen, ett bra stoppur kan bara ta dig så långt, och medan oscilloskop kan ta upp elektriska signaler med frekvenser på några GHz, att mäta otroligt snabba optiska fenomen kräver något mer - ett system som kallas en optisk frekvenskam. Normala lasrar är monokromatiska källor som endast innehåller en enda ljusfrekvens; i kontrast, frekvenskammar innehåller många frekvenser, lika fördelade i frekvensdomänen, som ser mycket ut som tänderna på en kam. Frekvenskammar används i stor utsträckning som en typ av 'optisk linjal' eftersom de kan mäta snabbt varierande signaler genom att störa 'tänderna' på frekvenskammarna med den signal de vill mäta, som följaktligen omvandlar dessa signaler till mer hanterbara radiofrekvenssignaler.

Forskare i Light-Matter Interactions Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, tillsammans med medarbetare vid Washington University, publicerade nyligen ett papper i Optikbokstäver där de beskriver hur de skapade en frekvenskam i det synliga spektrumet. De uppnådde detta genom att kombinera ett fenomen som kallas fyra-vågsblandning med en låg kostnad, lågeffektsenhet som kallas en mikrobubbelresonator (MBR). MBR är en typ av viskande gallerilägesresonator (WGMR), och tills nu, endast infraröda frekvenskammar har producerats direkt med fyra-vågsblandning i WGMR. Att flytta driftsvåglängden för dessa enheter till den synliga regimen har enorma fördelar eftersom en "optisk linjal" ofta är eftertraktad för ljus som kan observeras av det mänskliga ögat. MBR -enheten kan vara mycket användbar inom medicinsk vetenskap där frekvensmätningar med hög precision krävs, såsom medicinska CT -skanningar, där optiska frekvenskammar är en utmärkt kandidat. För närvarande genereras optiska frekvenskammar med kraftiga femtosekundlasersystem som kräver mycket utrymme och förbrukar många watt ström, eller använder andra stora lägeslåsta lasersystem. Den föreslagna MBR, i kontrast, är mikron stor och kräver bara en lågeffektslaser för att pumpa enheten eftersom resonatorns lilla volym betyder att små ingångseffekter motsvarar extremt höga cirkulationsintensiteter, ett krav för att icke-linjära processer ska ske.

Ett klassiskt viskande galleri - de fenomen som gör att enheten kan fungera - är en akustisk effekt. Kupolen i St. Paul's Cathedral i London är ett känt exempel på ett viskande galleri. I ett cirkulärt hölje, ljudvågor sprider sig längs innerväggarna med liten förlust, låta en höra viskningar mumlade nära väggen en lång bit bort längs väggen. Optiskt, forskarna replikerar denna effekt genom att få ljus att "studsa" längs väggarna i ett cirkulärt hålrum, i detta fall en mikrobubbla resonator. Gruppen lyckades tillverka en mikrobubbelresonator med en väggtjocklek på 1,4 mikron - cirka 60 gånger tunnare än ett människohår - och en total diameter på 120 mikron. Med denna enhet, de lyckades producera en optisk frekvenskam med en central röd våglängd på 765 nanometer, sammanfaller exakt med de förutsagda resultaten.

Författarna till papperet skapade MBR genom att avsmalna tunna glaskapillärer ner till några tiotals mikron i diameter, blockera en av deras öppningar och sedan pumpa gas i rören. Uppvärmning av ett område av glaset med en CO2 -laser bildar en liten bubbla på grund av balansen mellan gastrycket i kapillären och ytspänningen hos det smälta glaset, ungefär som hur glasblåsare producerar vackra glasvaser. Till skillnad från typiska solida resonatorer utan tunna väggar, forskarna kan styra väggtjockleken exakt vilket möjliggör en extra grad av frihet. Denna avgörande skillnad gjorde det möjligt för forskarna att ställa in enhetens centrala frekvens på den synliga regimen.

Dr Yong Yang, huvudförfattaren till denna uppsats, ser fram emot att skjuta gränserna för enheten med ännu tunnare väggdimensioner och hoppas kunna utöka räckvidden för den här enheten för att så småningom spänna gapet mellan det nedre våglängden blå ljus hela vägen till det nära infraröda området. "Jag är upphetsad över mikrobubbelresonatorn eftersom dess unika geometri ger oss så mycket mer kontroll över de spridande egenskaperna och i slutändan kommer att hjälpa oss att ytterligare flytta gränserna för denna enhet, "säger Yang. I slutändan, detta arbete kan ge forskare ett verktyg som är billigt, låg effekt och kompakt alternativ till de kommersiellt tillgängliga frekvenskammarna idag. Vilket bättre sätt att mäta ljus än att använda ljus?