En banbrytande innovation inom mätning av lasrar kan mäta förändringar en miljonedel av atomens storlek och kan revolutionera användningen av dem inom kvantteknik och hälso- och sjukvård tack vare nya, billigare teknik.

Ett team från University of St Andrews och brittiska företaget M Squared Lasers har använt principen om slumpmässig spridning av ljus för att skapa en ny klass laservågmätare som bryter igenom ett glastak på sättet våglängd mäts.

Vågmätare används inom många vetenskapsområden för att identifiera ljusets våglängd (dvs. färg). Alla atomer och molekyler absorberar ljus vid mycket exakta våglängder, därför är förmågan att identifiera och manipulera dem med hög upplösning viktig på olika områden, allt från identifiering av biologiska och kemiska prover till kylning av enskilda atomer till temperaturer som är kallare än djupet i yttre rymden

Vågor, oavsett om det är vattenvågor eller ljusvågor, interagera via störningar:ibland når två vågor en topp på samma tid och plats och resultatet är en högre våg, men det är också möjligt att en topp på en våg möter en annan, vilket resulterar i en mindre våg. Kombinationen av dessa effekter ger ett interferensmönster.

Konventionella vågmätare analyserar förändringar i interferensmönstret som produceras av känsliga sammansättningar av optiska komponenter med hög precision. De billigaste instrumenten kostar hundratals eller tusentals pund, och de flesta inom daglig forskning kostar tiotusentals.

I kontrast, laget insåg en robust och billig enhet som överträffar upplösningen för alla kommersiellt tillgängliga vågmätare. De gjorde detta genom att lysa laserljus inuti en sfär med en diameter på 5 cm som hade målats vit, och spela in bilder av ljuset som flyr genom ett litet hål. Mönstret som bildas av ljuset är otroligt känsligt för laserns våglängd.

Dr Graham Bruce från School of Physical and Astronomy förklarar:

"Om du tar en laserpekare, och lysa det genom Sellotape eller på en grov yta som en målad vägg, vid närmare inspektion av den upplysta ytan ser du att själva platsen ser kornig eller fläckig ut, med ljusa och mörka fläckar. Detta så kallade "fläckmönster" är ett resultat av störningar mellan strålens olika delar som reflekteras olika av den grova ytan.

"Det här fläckmönstret kan tyckas vara lite användbart, men i själva verket är mönstret rikt på information om den lysande lasern.

"Mönstret som lasern producerar genom ett sådant spridningsmedium är i själva verket mycket känsligt för en förändring av laserns parametrar och det har vi använt."

Genombrottet, som har publicerats i den prestigefyllda tidskriften Naturkommunikation , öppnar en ny väg för ultrahög precisionsmätning av laservåglängd, inser en precision på nära en del av tre miljarder, vilket är cirka 10 till 100 gånger bättre än nuvarande kommersiella enheter.

Denna precision tillät laget att mäta små förändringar i våglängd under 1 femtometre:motsvarande bara en miljonedel av diametern på en enda atom.

De visade också att denna känsliga mätning kan användas för att aktivt stabilisera laserns våglängd.

I framtiden, teamet hoppas kunna visa användningen av sådana metoder för kvantteknikapplikationer i rymden och på jorden, samt för att mäta ljusspridning för biomedicinska studier i en ny, billigt sätt.

Professor Kishan Dholakia från School of Physical and Astronomy sa:

"Det här är en spännande teaminsats för det vi anser är ett stort genombrott på området. Det är ett bevis på ett starkt brittiskt bransch-universitetssamarbete och kopplingar till framtida kommersiella möjligheter med kvantteknik och de inom vården."