CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM Peines de frecuencia J. Mauricio López R. CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM

Más rápido … Theodor W. Hänsch John L. Hall 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 The Nobel Prize in Physics 2005 Theodor W. Hänsch John L. Hall Theodor W. Hänsch John L. Hall

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), 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 The 17th Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM), Decides 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. 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.

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 John L. Hall Theodor W. Hänsch John L. Hall The Nobel Prize in Physics 2005

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 Intensidad Parte frontal del pulso Parte trasera del pulso Intensidad Parte frontal del pulso Parte trasera del pulso Tiempo Tiempo Efecto de ensanchamiento de pulso Efecto de compresión de pulso Índice de refracción Índice de refracción Tiempo Tiempo Dispersión cromática Dispersión cromática anómala

Generación de pulsos ultra-cortos (efecto Kerr AC) Dispersión cromática y efecto Kerr 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 Trep t

El peine de frecuencia (transformada de Fourier) 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 T.F. Intensidad Potencia Tiempo Frecuencia T.F. Intensidad Potencia Tiempo Frecuencia

El peine de frecuencia (transformada de Fourier) 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 T.F. Intensidad Potencia Tiempo Frecuencia T.F. Intensidad Potencia Tiempo Frecuencia

El peine de frecuencia (transformada de Fourier) 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 Tiempo Intensidad T.F. Frecuencia Potencia

Expansión del espectro a más de una octava Microstructure Fiber 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

THIS IS A SIMPLE IDEA! WHAT TOOK SO LONG? 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

Traceability 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.

Peines de frecuencia Mauricio López R. mauricio.lopez@cenam.mx + 52 (442) 211 0543