La investigación confirma que los láseres mejoran todo, incluidos los osciloscopios

La investigación confirma que los láseres mejoran todo, incluidos los osciloscopios

Solo agregue láseres

Solo agregue láseres

No creo que haya nada que no se pueda mejorar añadiéndole un láser. Y ahora un grupo de intrépidos ingenieros me han dado la razón al hacer un osciloscopio. Un osciloscopio con láser.

Por supuesto, no todos comparten mi obsesión por los láseres: estas personas son raras y tienen vidas pequeñas y tristes, pero los perdonamos. Pero es una buena pregunta por qué deberíamos molestarnos en agregar láseres a los osciloscopios dado que son una tecnología bastante bien establecida. La respuesta es la velocidad. Un osciloscopio está diseñado para mostrar cambios en el voltaje o la corriente con respecto al tiempo. Pour ce faire, l’oscilloscope doit échantillonner la tension plus rapidement qu’elle ne change, ce qui est problématique pour l’électronique haute fréquence moderne d’aujourd’hui, où il est souvent plus facile de générer des changements rapides que de les medir.

Aquí es donde un láser puede tener ventajas. En principio, un campo de luz se puede modular a una velocidad que es una gran parte de su frecuencia base (~600 THz). Siempre que podamos medir esta modulación, podemos medir voltajes variables en el tiempo mucho más rápido de lo que podríamos usar cualquier método electrónico. Pero ahí yace un enigma: ¿cómo medimos la modulación de un campo de luz? Uso de electrones. ¿Y cuál es el problema con los electrones? Son demasiado lentos.

Para superar este problema, los investigadores utilizaron un truco muy inteligente. Primero, se muestrea el voltaje usando una sonda que se conecta a una punta muy afilada en el vacío. Cuando un pulso láser golpea la punta, lanza electrones desde la punta hacia el vacío. La energía de los electrones depende del voltaje aplicado a la punta en el momento del pulso láser. Luego se mide la energía de los electrones y se usa para calcular el voltaje de la punta.

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Para poder muestrear el voltaje a intervalos muy cortos, los investigadores utilizaron un láser que emite pulsos de luz que duran menos de 10 femtosegundos (un femtosegundo son 10-15 segundos) y separados por unos 7 nanosegundos. Al escanear este láser a través de un espejo, los pulsos de luz se desplazan ligeramente para que lleguen tarde o temprano. Esto muestrea el voltaje en tiempos relativos ligeramente diferentes. Con suficientes muestras, se ensambla una imagen completa del voltaje variable en el tiempo, siempre que, por supuesto, las variaciones de voltaje se repitan regularmente.

Para demostrar que este proceso realmente funciona, los investigadores probaron una señal de voltaje de 9 GHz con su osciloscopio. Han demostrado que pueden muestrear a intervalos de alrededor de 20 femtosegundos, lo que significa que pueden medir con precisión formas de onda que tienen componentes de frecuencia de hasta 125 THz. Para poner eso en perspectiva, los osciloscopios comerciales más rápidos pueden manejar hasta unos 80 GHz (1500 veces más lento).

Hay, por supuesto, una desventaja en todo esto. Se tarda unos 200 segundos en medir un solo punto. Tomó alrededor de cuatro horas obtener uno de los gráficos del artículo de los investigadores. Probablemente sea demasiado lento para el controlador de soldador promedio, pero no es demasiado difícil imaginar que sea muy útil en aplicaciones de extremo alto. Sin embargo, esto tiene otra consecuencia: la señal que intentas medir debe ser estable durante muchas horas. Cualquier comportamiento transitorio se perderá por completo.

No te tomes 200 segundos demasiado en serio. Es el tipo de número que nunca empeorará, solo mejorará. Mi apuesta es que dentro de un año se reducirá a 1 segundo por muestra.

También podría pensar que un osciloscopio de este tipo nunca saldrá del laboratorio porque es demasiado caro y complicado. Pero los osciloscopios de gama alta ya son bastante caros, y el tipo de láser que se usa aquí tiene aproximadamente el mismo precio. Una fuente de láser alternativa, que ya está disponible comercialmente, es unas diez veces más barata, aunque es posible que solo obtenga 10 THz de ancho de banda. Las sondas, que involucran tubos de vacío, serán costosas y difíciles de fabricar con las propiedades adecuadas para el muestreo electrónico de alta velocidad. Sin embargo, creo que todo es posible.

Podemos apostar por qué proveedor comercial de osciloscopios adoptará la tecnología primero en las revisiones.

Letras ópticas2015, DOI: 10.1364/OL.40.000260

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