علم اندازه گیری (مترولوژی) فرکانس

با اینکه ارتباط میان فرکانس نوری و فرکانس ماکروویو از اهمیت ویژه ‌ای برخوردار است اما این مقاله بر روی علم اندازه گیری (مترولوژی) فرکانس نوری متمرکز است. در طیف وسیعی از برنامه ‌های کاربردی، تعیین دقیق فرکانس مطلق یک سیگنال نوری بسیار مهم است. روش معمول به ‌دست آوردن فرکانس یعنی اندازه‌ گیری طول موج، وارون کردن آن و استفاده از سرعت نور در خلأ مطابق با سیستم SI، برای به ‌دست آوردن دقت ‌های بالا کافی نیست. دقت اندازه‌ گیری طول موج به طور مثال با دستگاه موج‌ سنج به علت وجود اعوجاج[۱] جبهه موج محدود است. برای اندازه‌ گیری فرکانس واقعی، استفاده از یک فرکانس نوری یا اختلاف بین دو فرکانس نوری نسبت به یک مرجع ماکروویو، دقت بسیار بالاتری را به‌ دست می ‌دهد. توجه داشته باشید در حال حاضر دومین تعریف اساسی از واحد زمانی در SI به وسیله فرکانس ماکروویو ۹٫۱۹ گیگاهرتز از انتقال خاص بین سطوح انرژی فوق ریز در اتم سزیم ۱۳۳ ارائه می ‌شود.

اختلاف فرکانس و فرکانس ‌های مطلق

مقایسه بین دو فرکانس نوری و یک منبع ماکروویو با استفاده از یک نت ضربان[۲] در صورتیکه این اختلاف فرکانس در حد چند ده گیکا هرتز یا کمتر باشد، کار نسبتاً ساده ای است. به سادگی دو پرتو بر یک آشکارساز نوری سریع بر هم ‌نهی می ‌کنند و در نتیجه سیگنال ضربان الکترونیکی بدست می‌ آید. سپس می ‌توان با یک منبع ماکروویو و با کمک شمارش چرخه ‌ها یا بررسی ضربان الکترونیک بین دو سیگنال ماکروویو، آن‌ها را مقایسه کرد.

کار دشوارتر اندازه‌ گیری فرکانس ‌های مطلق نوری است. رویکردی اولیه که در چندین آزمایشگاه مترولوژی در جهان بررسی شده به این صورت است که یک زنجیره فرکانسی[۳] با یک منبع ماکروویو (مرتبط با یک ساعت اتمی سزیم) پایدار ایجاد می‌ شود و با تعدادی نوسان‌گر، فرکانس ‌های بالاتر و شناخته شده را تولید می‌ کند. فرکانس‌ های بعدی با ثبت سیگنال ‌های ضربان توسط هارمونیک سیگنال فرکانس‌ های پایین به آن‌ها مرتبط می ‌شوند و به صورت خودکار فرکانس های نوسانگر به منظور حفظ فرکانس ‌های ضربان تنظیم می‌ شوند. انواع مختلفی از دستگاه ‌های غیر خطی (دیودهای Schottky، دیودهای فلز- عایق- فلز و کریستال ‌های غیرخطی) برای تولید هارمونیک در مناطق مختلف طیفی مورد استفاده قرار می‌ گیرند.

شانه فرکانسی

شانه‌ فرکانسی در اواخر دهه ۱۹۹۰، تکنیکی جدید بر اساس شانه ‌های فرکانسی از لیزرهایی با قفل‌ شدگی مد، تحولی در علم اندازه ‌گیری (مترولوژی) فرکانس نوری ایجاد کرد. اساس این روش به این صورت است که طیف نوری خروجی از لیزری با قفل شدگی مد، مانند یک شانه با خطوطی کاملاً برابر (بدون توجه به تأثیرات نویز) است. چنین شانه فرکانسی تنها با دو پارامتر شناخته می ‌شود: فاصله فرکانس (که برابر نرخ تکرار پالس الیزر است) و موقعیت مطلق که با کمک فرکانس آفست پوش- حامل[۴] مشخص می ‌شود.

شکل- فرکانس هر قسمت از شانه ‌فرکانسی با رابطه بالا مشخص می ‌شود

اگر این دو پارامتر به یک مرجع مایکروویو مرتبط باشند، تمام فرکانس‌ های نوری شانه شناخته می ‌شوند. پس هر فرکانس نوری در محدوده شانه را می ‌توان با تعیین فرکانس ضربان توسط خطوط شانه اندازه‌ گیری کرد. تکنیک شانه فرکانسی بسیار ساده ‌تر از روش مرسوم مبتنی بر زنجیره فرکانس است و ساخت منابع مرجع فرکانسی بسیار فشرده و دستگاه ‌های اندازه ‌گیری فرکانس را ممکن می ‌سازد. علاوه بر این، شانه فرکانسی خطوطی از فرکانس ‌های مشخص که بسیار به هم نزدیک هستند را در یک محدوده طیفی گسترده ارائه می ‌دهد و امکان اندازه ‌گیری فرکانس را در این طیف گسترده فراهم می ‌کند. امروزه به صورت تجاری منابع لیزر شانه فرکانسی در دسترس هستند و به طور گسترده ای از آن‌ها برای اهداف مختلف استفاده می ‌شود.

کاربردهای فنی و علمی

اهمیت فنی و علمی علم اندازه‌ گیری (مترولوژی) فرکانس بسیار بالا است. نسل بعدی ساعت ‌های اتمی، بر اساس استاندارهای فرکانسی، ساعت‌ های نوری خواهند بود. این ساعت ‌های نوری قادر هستند تا زمان و فرکانس را با دقتی بسیار بالاتر از ساعت ‌های سزیمی اندازه ‌گیری کنند.

همانطور که در برنامه‌ هایی مانند سیستم GPS آمریکا و پروژه گالیلئو اتحادیه اروپا مشخص است، دقت بالا در اندازه‌ گیری زمان دارای اهمیت فنی بسیاری است. همچنین از دیگر کاربردهای اندازه‌ گیری دقیق فرکانس می ‌توان اندازه ‌گیری سایر مقادیر فیزیکی مانند ولتاژ، جریان الکتریکی و شدت میدان مغناطیسی را نام برد. علاوه بر این، شفاف ‌سازی بسیاری از سوالات بنیادی علمی با توجه به اندازه‌ گیری دقیق فرکانس و زمان امکان پذیر است. به طور مثال چنین بررسی‌ هایی وابستگی زمان به مقادیر خاصی را نشان می ‌دهد که تا کنون به عنوان ثابت ‌های فیزیکی در نظر گرفته می‌ شدند و این موضوع می‌ تواند تأثیر اساسی برای آینده‌ پدیده‌ ها بوجود آورد. برخی از دستگاه ‌های علمی نیز مانند لیزرهای الکترون آزاد برای تولید پالس‌ های فوق کوتاه و آرایه‌ های تلسکوپ‌ های رادیویی در نجوم در بخش‌ های مختلف خود، نیاز به دقت بالایی در همگام ‌سازی دارند. این همگام‌ سازی با ارتباطات زمانی مبتنی بر فیبر پایدار شده انجام می ‌شود.

 

[۱] Distortion

[۲] Beat Noteنت ضربان، نوسان شدت نور است که از برهم ‌نهی چندین فرکانس‌ نوری حاصل شده است :

[۳] Frequency Chain

[۴] Carrier–Envelope Offset Frequency: CEO