Física y Metrología – UT: Óptica. CALIBRACIÓN EN FRECUENCIA DE LÁSERES ESTABILIZADOS Resumen: se implementó un sistema de medición a partir del cual se logró calibrar láseres estabilizados en frecuencia con una incertidumbre dos ordenes mejor que la que obtenía cuando estos mismos se calibraban en longitud de onda. Equipo responsable: G. Mingolla, J. Álvarez, L. Álvarez, S.Ilieff, E.Beer, y K. Bastida. Física y Metrología – UT: Óptica. 1

Marco del Proyecto: mayor confiabilidad de productos Comparaciones INM INM Trazabilidad Trazabilidad Laboratorios de Calibración y Ensayos (Por ej. SAC) Laboratorios de Calibración y Ensayos Para asegurar las equivalencia entre mediciones involucradas en calibraciones, ensayos, etc se requiere una base técncia como la que se muestra en la diapositiva. En el INM se realiza, mantiene y disemina la unidad de medida (en este caso el metro), y su equivalencia y exactitud se sustenta a través de comparaciones entre distintos NMI. Y se transfiere garantizando la trazabilidad de las mediciones, por ende la equivalencia de las mismas a distintos laboratorios de calibración, ensayos, resultados que sustentan la evaluación de la confiabilidad en el producto final, (ya sea una cinta métrica o la calibración de equipo a partir del cual se cortan autopartes por ej.) Hace unos 10 años, cuando no existía el MRA, por ende la aceptación de ensayos y certificaciones por ej la FFA nos pedía trazabilidad (en el ámbito de regulaciones aeronáuticas, trazabilidad al NIST, (Nosotros en ese momento teníamos al PTB). Normas, doc. Normas, doc. Servicios y Productos Servicios y Productos Aceptación de resultados y ensayos 2

El metro en el SI Un metro se define como la distancia que recorre la luz en vacío, en un intervalo de tiempo de 1/299792458 s. Por lo tanto, por definición, la velocidad de la luz en vacío es de 299792458 m/s En el área de dimensional la Unidad de base es el metro, que ya no es mas una barra “material” como se definió en 1889, ”como la distancia entre dos finas rayas de una barra de  aleación platino-iridio” . Barra que hoy descansa junto a sus sucesoras en el Observatorio de Paris. Hoy en día y desde 1983, fruto de una acuerdo diplomático el cual Argentina es signatario se define como la distancia recorrida por la luz en vacío en 1/299792458 segundos. Velocidad es distancia sobre tiempo, o distancia por frecuencia, cuando la velocidad es la velocidad de la luz, la frecuencia la de un láser a la distancia que satisface dicha igualdad se la conoce como longitud de onda en vacío. Para visualizar el termino longitud de onda, y frecuencia pensemos en las ondas que se generan en un estanque cuando cae una gota. La distancia entre crestas sería la longitud de onda, y el número de crestas que pasan segundo cruza en punto fijo del espacio la frecuencia. Notemos que con la nueva definición del metro, aparece la magnitud “frecuencia” derivada del tiempo, por lo que podríamos decir que la nueva definición deriva del tiempo y por lo que es bastante intuitivo concluir que si la medición es en frecuencia en vez de longitud de onda, la incertidumbre de medición serra menor. l Donde f es la frecuencia, l0 la longitud de onda en el vacío, y Co la velocidad de la luz en vacío. 3

Mantenimiento, realización y diseminación del metro patrón SI Argentino Láser patrón Calibración de láseres primarios, en frecuencia y longitud de onda Se mantiene a través de comparaciones claves. Calibración de bloques En la Argentina solo el INTI se cuenta con una realización del metro y esta definido esencialmente por una frecuencia de un láser que nosotros coloquialmente denominamos láser patrón La frecuencia de este láser se transfiere a otro set de láseres, que denominamos láseres secundarios, únicos también en el país. Los que se calibran en frecuencia en un caso y en longitud de onda en el otro. Con este set de láseres y nuevos servicio, (la calibración de los mismo) hoy en día podemos calibrar láseres en el país, que antes o se enviaban a calibrar al exterior como es el caso del mismo INTI (Fisica- INTI-Cordoba- INTI- Mecánica), o directamente no se calibraban como es el caso de varias empresa metalmecánicas, y no solo Argentinas sino en la región, ya que son pocos los países en America que pueden brindar este Servicio: Brasil, México, EEUU y Canda únicamente. El metro se materializa calibrando interferometricamentes,(esto significa a partir de los láseres primarios calibrados), juego de bloques patrones. Se calibran centenares. A partir de los cuales, y junto con la calibración de láseres se transfiere a todo tipo de servicio y/o producto en el área de metrología dimensional. Calibración de láseres secundarios 4

Metro SI Argentino: He-Ne estabilizado con celda de I2 Tubo de He-Ne La realización del metro se basa en un láser estabilizado de He-Ne con celda de I2. Se genera una descarga sobre el tubo, a partir de la cual se genera la emisión estimuladas que se retroalimenta entre los espejos ubicados en los extremos de la cavidad. La emisión láser cruza una celda de I2, (que se encuentra a cierta temperatura). Parte (la perdida) escapa por el espejo trasero y se detecta con un fotodetector. Cuando se genera una absorción de I2, con esta lectura se genera electrónicamente se genera una señal usualmente llamada señal de error con la que se comanda ambos espejos del láser mediante PZT, (resortes) con el objeto de “ajustar” el largo de la cavidad tal que la señal de absorción este siempre presente, Es decir el sistema se “lockea” a una frecuencia. Se pueden definir entonces tantas frecuencias como absorciones en la celda de I2 se vean, lo que depende de la temperatura de la celda, la pureza y obviamente la electrónica. En nuestro caso son 7 Esta frecuencia, conocida, es a partir de la cual se define el metro. Con esta frecuencia (o longitud de onda) se calibran otros láseres a partir de los cuales finalmente se mide distancia y se materializa la definición del metro. 5

Comparación CCL-K11, Septiembre,2009 INMETRO CENAM INTI NRC l/2 BS FI M Salida INTI CENAM INMETRO para asegurar la realización, la frecuencia del laser patrón, este tipo de láseres anteriormente se comparaban entre si, (entre distintos NMI). Actualmente se miden contra lo que se conoce como peine de frecuencia. Sistema que esencialmente permite medir la frecuencia con una incertidumbre aun mejor que la que se obtenía comparando “todos contra todos” y Además en forma mucho mas simple y corta. Estos láseres, metros, se encuentra “definidos” en un documento que se conoce como mise and practise, y que es parte del acuerdo diplomático donde Argentina es signatario. Definir este tipo de láseres esencialmente es definir sus parámetros de operación. Por lo que en una comparación no solo se “mide” la frecuencia de operación sino que se verifica que el láser este dentro de la definición que lo hace poder ser “un láser patrón” Particpar en esta comparaciones internacionales es requisito obligatorio para que las capacidades de medición, del país sean reconocidas internacionalmente Acá tendrías que explicar las figuras l/2 FI 6

Metro SI Argentino: Resultados parámetros de sensibilidad Estabilidad del láser Frecuencia Temperatura Estabilidad En la figura se muestra los resultados de la última comparación que hemos participado, (resultados parciales ya que aún no contamos con el reporte final, pero a partir de los cuales sabemos que el láser esta dentro de lo que se conoce como mise and practise, y que su frecuencia se encuentra en el valor esperado y declarado por Argentina. Se midió como varia la frecuencia: con la temperatura de la celda de I2, con la modulación, con la potencia. Como es su estabilidad. Todos parámetros esenciales para poder asegura el manejo del láser en el laboratorio. Notemos que un láser es un sistema dinámico, (la potencia cambia con la alineación, con el envejecimiento del tubo, etc …por lo que es vital conocer como los mismo afectan a la frecuencia de este ) Además se medido la frecuencia, contra el Peine, (lo que mejoro en casi dos ordenes la incertidumbre de calibración), si corroboro que el drift medido en frecuencia estaba contenido en el valor de incertidumbre declarado, y por ende no afectaba las calibraciones efectuadas. modulación f vs Potencia 7

Calibración en longitud de onda Láser medido Láser patrón l0 la longitud de onda en el vacío, n el índice de refracción en el aire y N el número de franjas. Para la diseminación el laboratorio desarrollo dos métodos. Calibración en longitud de onda, y en frecuencia. En 2007 el método por calibración en longitud de onda, y este año se termino de poner a punto el de calibración en frecuencia. La calibración en frecuencia mejora la incertidumbre de calibración en al menos dos ordenes frente a la de longitud de onda, pero tiene la limitación que solo se puede efectuar cuando el láser a calibrar tiene una frecuencia similar a la del patrón, (rojo). Por eso en primer lugar se desarrollo el otro método, ya que este permite calibra en cualquier parte del espectro visible, (por el momento) El método consiste en contar franjas de interferencia producidas por el láser de referencia y el láser a calibra, y compararlas. ¿Qué son las franjas de interferencia? Imaginemos dos gotas que caen en un estanque, cada una emite “olas” “ondas”, que se encuentran con las emitidas por la otra gota “fuente”. El cruce entre olas genera que a veces las crestas se “sumen” y que a veces se “cancelen”, (supongamos que el alto de la ola es el mismo). Entonces si tomo una foto de este fenómeno lo que obtengo es un conjunto de “vayes” + “olas” que se cruzan. Un conjunto de franjas si pienso en las olas como franjas. Si de alguna manera yo divido un haz de luz en dos partes (las dos gotas) estas recorren distinto camino, y después los superpongo el fenómeno es el mismo. Tengo franjas de interferencia. Con un detector voy contando la cantidad de máximos (de olas) de uno y las del otro, teniendo en cuenta que la longitud de onda era la separación entre dos olas, tengo que el numero de máximos de una longitud de onda es igual al numero de Máximos de la otra longitud de onda. Por lo que puede despejar una longitud de onda en función de la otra. Interferencia 8

Calibración en frecuencia Superposición de dos ondas de frecuencia w1 y w2 2W+ ~ 4.106 GHz 2W-~ 21,5 MHz En el caso de calibración en frecuencia la idea es mucho mas sencilla. Esencialmente yo superpongo dos ondas, de frecuencias similares, (dos láseres del ismo color). La suma de esas dos ondas resulta una onda modulada. La frecuencia de modulación es proporcional a la diferencia de las frecuencias originales, y la de la portadora a la suma. En el ejemplo (veo los números) se nota que para un detector de 1 GHz, solo voy a detectar la frecuencia de la envolvente que es igual a la diferencia de las frecuencias en juego, la del láser a calibrar y la del láser patrón. Esta frecuencia, (la diferencia) la mido en el rango de micro ondas comparando con el patrón de Cs, la del patrón la conozco, despejo la otra. El método no solo es mas sencillo en operativa, sino que como de lo que hablamos es de mediciones de frecuencia,, la incertidumbre resultara menor a la obtenida en calibración en longitud de onda. k es la frecuencia espacial, w la frecuencia temporal, 2w-=w1-w2 la frecuencia de batido, (frecuencia medida y trazable al reloj de Cs). 9

Varianza de Allan, Varianza Standard T~t t1 T t2 t3 tN-1 tN t t2 t3 Además el método permite determinar lo que se conoce como varianza de Allan, que es la forma de estudiar la estabilidad de un oscilador, ya que tiene en cuenta la correlación en el tiempo. En la figura se muestra una de las mediciones realizadas. La varianza Standard estaría dada básicamente por el semi-ancho de las mediciones, esto sin importa el orden de las mediciones da siempre igual. Pero si yo pondero esto, el hecho de que existe una correlacione en el tiempo, (esto es la varianza de Allan) puedo determinar para distintos intervalos de tiempo cuan estable es mi láser. Y eso es sumamente importante , vale decir que si con un láser para realizar una medición requiero de media hora, o requiero de su uso solo por 10 segundos la estabilidad del mismo láser no va a ser la misma y esto importa, impacta en la incertidumbre. yi es la i-ésima frecuencia promediada en el intervalo t, con t=mt0 el intervalo de observación, y m=2N el máximo número de cálculos posibles Variación en frecuencia de la señal de batido en función del tiempo 10

Medición de la estabilidad de un láser Varianza de Allan Como se observa en la figura, para cara T, la varianza es distinta. El tema de estabilidad afecta tanto al láser patrón, como al reloj de Cs, ya que ambos son en definitiva osciladores. Sin embargo como su varianza es mayor que la del láser en medición uno puede asegurar que lo que esta viendo es en definitiva la del láser en estudio. Desviación de Allan sy(t) relativa en función del tiempo de muestreo. 11

Resultados Con el método descripto, “calibración en frecuencia” se logró determinar la frecuencia de un láser estabilizado con una incertidumbre relativa combinada del orden de 1 parte en 1010, mejor en dos ordenes que con el método interferométrico. El hecho se debe a que la frecuencia de un láser (magnitud derivada del tiempo) se puede medir con mayor exactitud que la longitud de onda. Este resultado nos permitió cerrar la cadena de trazabilidad en metrología dimensional dentro del país. Permitió además agregar un nuevo servicio como es la calibración de láseres estabilizados incluyendo análisis de estabilidad. Servicio que se necesita no solo en el país sino en la región. El método es además más robusto que la calibración en longitud de onda, por lo que demanda menos tiempo del operador. Comentar calibraciones planeadas 12