För signaler som knappt är större än bruset i ett system är mätning i allmänhet en avvägning mellan hastighet och precision. Genom att beräkna ett medelvärde över flera mätningar minskar påverkan av buller men tar (mycket) tid. Det kan förändras med en revolutionerande ny mätmetod, utarbetad av AMOLF-forskarna Kevin Peters och Said Rodriguez. Deras idé är baserad på en icke-linjär optisk resonator, förklarar Rodriguez:"I den här sensorn ger snabbare mätning faktiskt en starkare signal." Den teoretiska utarbetandet av denna nya mätmetod publiceras i Physical Review Letters idag den 27 juni 2022. För en experimentell utforskning eftersträvas samarbeten med företag som vill göra snabba och exakta mätningar med ljus.

"Fysik handlar om att göra mätningar för att samla information om ett system eller för att minska osäkerheten om ett systems tillstånd. Ibland är precision viktigast - hur säker är du på att något i systemet har förändrats? I andra fall är hastigheten viktigast - hur snabbt kan man samla in information? I de flesta detektorer går noggrannheten på bekostnad av hastigheten, säger AMOLFs gruppledare Rodriguez. "Tänk på något så enkelt som att titta på en tavla:om du bara ser målningen i några sekunder kommer du att samla in mycket mindre information än när du får se den i några minuter. Med andra ord:ju längre vi mäter, desto mer information vi samlar in och ju mer exakt vi känner till systemets tillstånd (målningen)."

Bruser

Vid mätning av mycket små signaler är också påverkan av brus viktig. "En typisk optisk detektor, baserad på en resonator eller en kavitet, ger en signal när till exempel en molekyl stör resonatorn. Men denna signal kan vara så liten att den knappt överstiger bruset från lasern. Signalen kan bara vara upptäcks genom att medelvärdet av flera mätningar eller genom att använda en längre mättid, säger Rodriguez, som tillsammans med Ph.D. student Kevin Peters, letar efter sätt att minska påverkan av brus vid detektering med optiska system.

'Exceptionell punkt'

Forskarna hittade inspiration till sitt unika nya mätkoncept i ett exotiskt fysiskt fenomen som förekommer i öppna kvantsystem, som optiska resonatorer som mäter närvaron av molekyler eller virus. "Sådana system har komplexa egenvärden som ibland sammanfaller. I så fall talar vi om en "exceptionell punkt" och teorin tyder på att mätningar vid exakt en sådan punkt borde vara mycket känsligare, säger Rodriguez. "Men det visade sig att även om signalerna verkligen förbättrades vid dessa "exceptionella punkter", så var bruset det också. Att bestämma den exakta platsen för den exceptionella punkten, där man mäter, är en mycket komplicerad och besvärlig uppgift."

Forskarna insåg att något liknande de "exceptionella punkterna" också kunde identifieras i de icke-linjära optiska kaviteterna (en typ av resonator) de arbetar med. Rodriguez:"Icke-linjära kaviteter kan ha optisk hysteres. När du ökar lasereffekten byggs ljusintensiteten i kaviteten upp på ett visst sätt. Men sedan, när du minskar lasereffekten, lämnar ljusintensiteten kaviteten på ett annat sätt. Detta resulterar i hysteres, liknande magnetiseringen av vissa material när ett magnetfält appliceras på dem. Vi fann att skillnaden i ljusintensitet mellan de punkter där hysteresen öppnar och stängs, är proportionell mot kvadratroten av resonatorns störning (t.ex. orsakad av en molekyl som ska mätas). Mätningen av denna 'skillnadssignal' är därför mycket känslig för små störningar. Dessutom visade vi att med snabbare mätningar blir påverkan av brus mindre, tvärtom. till vad som händer i konventionella mätmetoder."

Praktisk genomförbarhet

Forskarna gjorde teoretiska beräkningar för den föreslagna sensorn, men funderade också på den praktiska genomförbarheten. Att ställa in korrekt moduleringsfrekvens för mätningar med den föreslagna optiska resonatorn är lätt möjligt med befintlig utrustning. Därför skulle Rodriguez vilja samarbeta med industrin för att utforska idén ytterligare och använda den för optisk avkänning. "Det här sättet att mäta är intressant för alla typer av applikationer där optiska sensorer redan används", säger han. "Tänk på sensorer för positions- eller rörelsebestämning, för kemiska mätningar eller för att detektera nanopartiklar. Faktum är att allt som du lyser ljus på och sedan mäter vad som kommer ut kan dra nytta av vårt mer känsliga icke-linjära tillvägagångssätt." + Utforska vidare

Använda brus för att förbättra optisk avkänning