Новая технология измеряет расстояние между удаленными объектами с точностью до нанометров
Новое применение лазерной технологии, известной как TWDCR (two-way dual-comb ranging), продемонстрировало беспрецедентную точность измерения расстояния между инструментами, находящимися на расстоянии более 100 километров. Технология может помочь спутникам и повысить точность научных инструментов для обнаружения гравитационных волн и астрономической интерферометрии с очень длинной базой, например, которая использовалась для получения изображений черных дыр.
Лазеры используют одну частоту света, поэтому каждый лазер имеет определенную длину волны, которая известна настолько точно, что в какой-то момент длина метра была определена с помощью линии излучения криптона. Это означает, что количество длин волн, которое требуется лазеру, чтобы дойти до места и вернуться обратно, дает нам расстояние с необычайной точностью. По крайней мере, такова теория.
Как отмечают авторы нового исследования, работающие в Китайском университете науки и технологий, в препринте своей работы, «измерение дальности на больших расстояниях остается технически сложной задачей из-за высоких потерь при передаче и шума».
Исследователи уже давно пытаются решить эти проблемы, и авторы ссылаются на несколько подходов, которые были предложены для их преодоления, некоторые из которых оказались успешными. Тем не менее, они предполагают, что TWDCR может добиться еще лучших результатов.
Метод основан на оптических частотных гребнях (OFC). Спектральные гребни производят свет на регулярно расположенных длинах волн, без излучения света между ними. Их применение позволило их изобретателям получить половину Нобелевской премии по физике 2005 года.
Хотя OFC уже используются для измерения расстояний, из-за атмосферных возмущений до последних исследований двух-гребенчатая дальномерная система никогда не применялась на расстоянии более километра. В этом контексте достижение такой большой дистанции было настоящим прорывом.
Используя гребни с центральными длинами волн 1545 и 1563 нанометра, лазеры отражались между объектами на расстоянии 113 километров друг от друга, измеряя расстояние с заявленной погрешностью всего 82 нанометра. Это было достигнуто с использованием 21 секунды измерений, но даже всего за миллисекунду команда достигла точности, меньшей ширины человеческого волоса.
Для всех приверженцев теории плоской Земли, успех зависел от выбора двух высокогорных лабораторий с долиной между ними, чтобы передача данных не прерывалась изгибом Земли.
Поскольку ни один другой метод не способен определить расстояние между двумя объектами с такой точностью, невозможно быть до конца уверенным в правильности полученных результатов. Однако подтверждение успешности методики на более коротких расстояниях, где доступны другие методы, может развеять эти опасения.
Тем не менее, это расстояние (113 км) все еще меньше, чем от поверхности земли до спутников на орбите. Однако, поскольку большая часть пути в космос проходит в условиях почти полного вакуума, восходящим лучам, возможно, придется иметь дело с меньшими атмосферными помехами, чем в этом данном случае.
Авторы признают, что за преимущества их метода приходится платить. TWDCR труднее настроить, а процесс извлечения данных сложнее. Для более коротких измерений это не стоит дополнительных усилий, но вот определение расстояния до спутников, например, с такой точностью, чтобы они могли измерить магнитное поле Земли, — это другое дело.