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Peines de frecuencia
J. Mauricio López R.
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM
John L. Hall
Theodor W.
Hänsch
John L. HallTheodor W. Hänsch
The Nobel Prize in Physics 2005
Más rápido …
El periodo de oscilación del campo eléctrico de la luz visible es tan rápido como cientos de THz, lo que hace a la luz atractiva para usar las oscilaciones de su campo eléctrico como el
“tic-tac” para construir nuevos relojes
En los últimos mil años
El perfeccionamiento de los relojes ha sido dramático en los últimos mil años. El eje vertical de la figura está en una escala logarítmica y aún así el gráfico crece
exponencialmente. La escala de tiempo en el eje horizontal es lineal.
Otras técnicas empiezan a rivalizar con los relojes de Cesio
A inicios del siglo XXI la exactitud de medición con técnicas de espectroscopia óptica rivalizan con la exactitud de los relojes atómicos. Lo anterior hace atractiva una nueva
definición para la unidad de tiempo en términos de una radiación óptica
Se vislumbran nuevos horizontes (~2000)Los relojes atómicos de mayor exactitud en el futuro serán relojes atómicos ópticos
La idea fundamental en el escalamiento hacia ultra-altas frecuencias
La calibración de frecuencias ópticas se hace por medio de escalamientos hacia ultra altas frecuencias partiendo de la definición de la unidad de tiempo del Sistema Internacional de Unidades. Dicho escalamiento da como resultado las llamadas “cadenas de frecuencia”
Un ejemplo: cadena de frecuencias del
NRC
El establecimiento de cadenas de frecuencia es un trabajo
sumamente complejo y costoso. El desarrollo de una cadena de
frecuencia para la calibración de un color en el visible típicamente
toma el esfuerzo de 5 personas durante 5 años y el equipo ocupa típicamente 5 laboratorios 20 m2
cada uno
The 17th Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM),
Decides
1.The metre is the length of the path travelled by light in vacuum during a time interval of 1/299 792 458 of a second.
2.The definition of the metre in force since 1960, based upon the transition between the levels 2p10 and
5d5 of the atom of krypton 86, is abrogated.
Definición del metro en términos de la velocidad de la luz y relojes atómicos (1983)
La calibración de algunas líneas de emisión (como la de 633 nm de la molécila del Yodo) con cadenas de frecuencia dieron lugar a una nueva definición del metro en 1983 en términos de
relojes atómicos y la velocidad de la luz
John L. Hall
John L. HallTheodor W. Hänsch
The Nobel Prize in Physics 2005
Aparece el arcoiris (~2000)
La complejidad de las cadenas de frecuencia para la calibración de frecuencias ópticas se vio superada con la aparición de los peines de frecuencia desarrollados por John Hall y Theodor
Hansch
La encantadora sencillez de los peines de frecuencia
Tres son los elementos principales de un peine de frecuencias: un láser de bombeo, un generador de pulsos ultracortos y una fibra de micro estructura.
Generación de pulsos ultra-cortos (efecto Kerr AC)
Dispersión cromática y efecto Kerr
Inte
nsi
dad
Tiempo
Tiempo
Índ
ice
de
refr
acci
ón
Parte frontal
del pulso
Parte trasera
del pulso
Inte
nsi
dad
Tiempo
Tiempo
Índ
ice
de
refr
acci
ón
Parte frontal
del pulso
Parte trasera
del pulso
Dispersión cromática Dispersión cromática anómala
Efecto de compresión de pulso
Efecto de ensanchamiento de
pulso
Generación de pulsos ultra-cortos (efecto Kerr AC)
Dispersión cromática y efecto Kerr
Trep
t
La generación de los pulsos cortos se hace utilizando el efecto Kerr AC en cristales de Zafiro dopado con Titanio. El ancho de los pulsos queda definido fundamentalmente por el material utilizado y la intensidad en el láser de bombeo. La repetición de los pulsos está definida por la
longitud de la cavidad de anillo en la que se encuentra el Ti:Sa
El peine de frecuencia (transformada de Fourier)
Tiempo
Inte
nsi
dad
Frecuencia
Pot
enci
a
T.F.
Tiempo
Inte
nsi
dad
Frecuencia
Pot
enci
a
T.F.
La estructura del peine de frecuencias es determinada por la transformada de Fourier del tren de pulso cortos que emite la cavidad de anillo. A menor la duración del pulso mayor es el
tamaño del peine de frecuencias
El peine de frecuencia (transformada de Fourier)
Tiempo
Inte
nsi
dad
Frecuencia
Pot
enci
a
T.F.
Tiempo
Inte
nsi
dad
Frecuencia
Pot
enci
a
T.F.
La estructura del peine de frecuencias es determinada por la transformada de Fourier del tren de pulso cortos que emite la cavidad de anillo. A menor la duración del pulso mayor es el
tamaño del peine de frecuencias
El peine de frecuencia (transformada de Fourier)
Tiempo
Inte
nsi
dad
Frecuencia
Pot
enci
a
T.F.
La estructura del peine de frecuencias es determinada por la transformada de Fourier del tren de pulso cortos que emite la cavidad de anillo. A menor la duración del pulso mayor es el
tamaño del peine de frecuencias
Microstructure Fiber
Expansión del espectro a más de una octava
Se requiere una fibra óptica de micro estructura para expandir el peine de frecuencias a más de una octava. Lo anterior a efecto de poder calibrar el
peine de frecuencias
Calibración del peine de frecuencias
El espaciamiento entre los dientes del peine de frecuencias es muy uniforme
Más fácil es difícil
THIS IS A SIMPLE IDEA! WHAT TOOK SO LONG?
Theodore Hansch
Calibración de láseres con peines de frecuencia
Los peines de frecuencia pueden ser utilzados en la calibración de frecuencias ópticas. El proceso de calibración de un láser es ahora realizado en unas cuantas horas (este trabajo de
calibración puede tomar años utilizando cadenas de frecuencia)
5. La relación metro-segundo
The three practical approaches for realising the metre which are listed in the mise en pratique are:
(a): time how long light takes to travel the distance(b): use the wavelength of a laser which has a calibrated frequency.(c): use the wavelength of one of the lasers listed in the mise en pratique
1. The CCL be responsible for:(a). Validating combs for uncertainties > 10-11 using primary wavelength standards.(b). CMCs for laser frequency calibrations traceable to primary wavelength standards.
2. The CCTF be responsible for;(a). Validating combs for uncertainties < 10-11.(b). CMCs for laser frequency calibrations traceable to the SI second.
Traceability
