Ett team av ingenjörsforskare från UCLA och OEWaves har utvecklat en optisk mikrooscillator, en viktig tidshållande komponent i klockor som avsevärt kan förbättra noggrannheten i tidhållning, som är avgörande för användning i rymdfarkoster, bilavkänning eller satellitkommunikation.

En optisk oscillator liknar en pendel i en farfarklocka, bara istället för en svängande rörelse för att hålla tiden, dess "fästing" är laserns mycket höga frekvens, eller cykler per sekund. Denna "optiska pendel" är ett laserljus begränsat i en mycket tyst resonator som gör att ljuset kan studsa fram och tillbaka utan att förlora sin energi. Denna klass av optiska oscillatorer är extremt exakt. Dock, de är stora fristående enheter, ungefär lika stor som ett köksugn i hemmet, och måste hållas i helt stabila laboratorieförhållanden.

Den nya oscillatorn har laboratorieliknande stabilitet, och är tillräckligt liten och lätt för att potentiellt kunna integreras i satelliter, i bilar för superexakt navigering, för ultrahög precisionsmätning, eller till och med en vardaglig enhet som en smartphone. Förbättringen är storleksordningar bättre jämfört med de bästa som för närvarande finns utanför ett labb, som är kvartskristalloscillatorer i lyxiga armbandsur, datorer och smartphones. Den nya enheten drar också nytta av ett fenomen som upptäcktes i St. Paul's Cathedral i London.

Forskarna föreslår att detta kan användas i miniatyriserade atomur för rymdfarkoster och satelliter, för vilken exakt tidpunkt är viktigt för navigering. Den kan användas för precisionsavstånd och rotationsavkänning för bilar och andra fordon och för högupplöst optisk spektroskopi, som används för att avbilda molekylära och atomära strukturer.

"Eventuella fluktuationer i temperatur eller tryck kan ändra oscillatorernas storlek, och ändrar därför hur långt laserljuset rör sig, och sålunda, oscillationens noggrannhet, "sa Chee Wei Wong, professor i elektroteknik vid UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science och huvudutredaren om forskningen.

Tänk på när en dörrkarm expanderar eller dras ihop på grund av temperaturförändringar. På de små skalorna hos optiska oscillatorer, även den minsta storleksändringen kan påverka dess noggrannhet.

Forskargruppens nya oscillator är korrekt och stabil. Ljusoscillationsfrekvensen ändras inte mer än 0,1 delar per miljard. På samma gång, de minskade oscillatorns storlek till endast 1 kubikcentimeter i volym.

"Den miniatyrstabiliserade lasern som visas i detta arbete är ett viktigt steg för att minska storleken, vikt och effekt av optiska klockor, och för att möjliggöra deras tillgänglighet utanför laboratoriet och för fältapplikationer, sa Lute Maleki, VD för OEwaves.

Forskargruppens optiska oscillator är tre till fem gånger stabilare än befintliga enheter eftersom de inte påverkas under extrema temperatur- och tryckförändringar. Baserat på experimentella resultat, forskarna föreslår också att dess stabilitet kan vara så mycket som 60 gånger bättre.

"Vanligtvis, även små variationer av atmosfärstemperaturen eller trycket introducerar mätosäkerhet med en storleksordning större än de observerade effekterna, "sa Jinkang Lim, en UCLA postdoktoral forskare vid Mesoscopic Optics and Quantum Electronics Laboratory och huvudförfattare till studien. "Vi utformade vår resonator noggrant och isolerade den från omgivande fluktuationer. Sedan observerade vi minutförändringarna och såg att den förblev stabil, även med miljöförändringar.

"Den här lilla oscillatorn kan leda till mät- och navigationsenheter i fältet, där temperatur och tryck inte kontrolleras och förändras dramatiskt, "Lim tillagd." Denna nya mikrooscillator kan behålla sin noggrannhet, även med ovänliga miljöförhållanden. "

Den optiska mikrooscillatorn, fungerar med denna noggrannhet eftersom det begränsar laserljuset inuti sig själv med hjälp av det som kallas "viskande galleri-läge" resonans, så kallad på grund av likheter med hur någon kan viska något mot väggarna i kupolen i Londons St. Paul's Cathedral, där detta fenomen först rapporterades, som kommer att höras helt på motsatt sida. Fenomenet finns också i New York Citys Grand Central Station. I detta fall, laserljusvågen förökar sig längs den specialdesignade insidan av mikroresonatorn. Dessutom, frekvensen förblir stabil eftersom mikroresonatorn motstår förändringar från temperatur och tryck. Till sist, själva ljussvängningarna är väldigt distinkta, snarare än "luddig".