もつれを解く光

実験装置を備えた AJ フライシャー (右) とトビアス ハーマン (左)。 レーザーが生成する光はテーブル上で操作されて 2 つの光周波数コムを作成します。 これらのコームからの光は結合され、温度が制御された井戸の中に設置されたフォトニックセンサーを含む光ファイバーケーブルに供給されます。 最後に、光信号が RF 検出器によって読み取られます。

ジェニファー・ローレン・リー/NIST

光を使用して温度を測定する光子温度計は、従来の温度計よりも高速、小型、堅牢であるため、温度測定に革命をもたらす可能性があります。 本質的に、センサーは温度に敏感な構造に光を通すことによって機能します。 デバイスから発せられる光は、科学者にセンサーがさらされた温度に関する情報を提供します。

いつか、これらの小さな温度計と、ひずみ、湿度、加速度、その他の量を測定する追加の種類の光センサーが、建物や橋などの構造物が建設される際に埋め込まれる可能性があります。 フォトニックセンサーは、コンクリートやセメントが硬化するときにこれらの特性を測定することで、構造がどのように形成されたかについてエンジニアに貴重な情報を提供し、構造が長期的にどのように機能するかを予測するのに役立ちます。

しかし、研究者たちがまだ解決していない問題の 1 つは、これらの光センサーを「調べる」ための最良の方法、つまり光を入れたり光を取り出したりする方法です。 レーザーを使用してセンサーに入る光の各周波数を生成する従来の方法は、難しく、時間がかかり、高価で、かさばります。

ジェニファー・ローレン・リー/NIST

現在、米国国立標準技術研究所 (NIST) の研究者は、これらのセンサーに以前の方法よりも約 10 ～ 1000 倍高速に応答する方法を設計し、テストしました。 これは、微量の温室効果ガスの測定などのタスクに過去に使用されたデュアル周波数コム システムと呼ばれるものを使用して行われますが、光子温度計ではこれまで使用されていませんでした。

原理実証実験により、この技術の商業化に一歩近づきました。

「それがうまく機能したことに驚きました」とNISTのジーシャン・アーメド氏は語った。

さらなる利点は、センサーに光を出入りさせる従来の方法とは異なり、デュアルコムシステムは複数のフォトニックセンサーを同時にサポートできるため、将来の商用化システムのサイズとコストをさらに削減できることです。

光子温度計を使用するために、研究者は多くの波長の光を光ファイバーケーブルに入れます。 その光は、ある種のセンサーと相互作用します。この場合、ファイバー内の一連のエッチング マークで構成される一種の回折格子です。

ショーン・ケリー/NIST

光が格子と相互作用する方法は温度によって異なります。 そして、研究者が温度への曝露から得られる信号は、ファイバーに入れた多くの波長のうちの 1 つからの光の振幅の減少、つまり本質的には「ディップ」です。 どの波長にディップがあるかは、センサーがどの温度を経験しているかを示します。

しかし、どのようにしてさまざまな波長の光をファイバーに取り込むのでしょうか?

従来の方法の 1 つは、レーザーを「スイープ」し、一連の異なる波長を一度に 1 つずつ作成し、それぞれをセンサーに送信することです。 精度を維持するために、研究者は、生成している波長が意図したものであることを検証する標準と各波長を比較する追加のステップを実行する必要があります。

「これは物事を進めるのに時間がかかる方法だ」とアーメド氏は語った。 それは、「20 の質問」をプレイしているようなものです。センサーに「この波長はディップのある波長ですか?」と尋ねます。 いいえ、これはどうでしょうか？ いいえ。

速度は、温度が急速に変化するアプリケーションでは特に問題になります。たとえば、光線を使用して放射線を照射するがん治療の一種である放射線療法において、放射線量の結果として生じるマイクロ秒（100万分の1秒）の温度変化を測定する場合です。がん細胞を加熱して殺します。