Физики нашли способ усовершенствовать и удешевить устройства для спектрометрии

НаукаНаука

Гребенка из спичечного коробка

Российские и швейцарские физики нашли способ усовершенствовать и удешевить устройства для спектрометрии. Можно надеяться, что в России появится новый класс высокотехнологического производства.

Валерий Лобанов, кандидат физико-математических наук

Кристаллический резонатор. Фото сделано в электронном микроскопе при 100-кратном увеличении

Ученые из лаборатории профессора Игоря Биленко (Российский квантовый центр) и группы профессора Тобиаса Киппенберга (EPFL, Швейцария) сумели объединить в одном устройстве компактный лазерный диод и уникальный оптический микрорезонатор. Созданное ими устройство — источник оптической частотной гребенки — обладает высочайшей стабильностью и крохотными размерами, поэтому для его питания достаточно обыкновенной батарейки. Такие источники могут лечь в основу множества полезных датчиков, которыми оснащаются «умные» часы, смартфоны и прочие мобильные устройства. Например, спектрометра для анализа вдыхаемого воздуха или неинвазивного исследования состава крови. Они также способны заменить лазеры в высокоскоростной передаче данных и будут использоваться в квантовых компьютерах, разрабатываемых в настоящее время госкорпорацией «Росатом» в рамках «дорожной карты» по квантовым вычислениям.

Световая линейка

Чтобы лучше понять природу частотной гребенки, представьте себе радугу: каждый из цветов соответствует электромагнитной волне определенной частоты. Обычный лазер излучает электромагнитные волны строго одной определенной частоты (один цвет). Особенность частотной гребенки как генератора оптического излучения заключается в том, что она может служить чрезвычайно точной линейкой для измерения частоты световых волн, поскольку расстояния между ее линиями в частотном диапазоне фиксированы и очень стабильны, как у зубчиков расчески.

В 2005 году Теодор В. Хэнш и Джон Л. Холл получили Нобелевскую премию «за вклад в развитие лазерной прецизионной спектроскопии, включая технику оптической частотной гребенки». Как рассказывал в своей нобелевской лекции Хэнш, с момента изобретения маятниковых часов время и частота являются теми величинами, которые мы можем измерять наиболее точно.

Измерение частоты, то есть подсчет числа циклов за определенный интервал времени, по сути, представляет собой процедуру работы с числами, к которым не должны примешиваться никакие посторонние шумы. Давно известны электронные измерители частоты, работающие в спектральной области вплоть до диапазона радиоволн. К примеру, радиочастотные цезиевые часы достигают точности до 15-го знака. Оптические атомные часы с «маятником» в виде атомов и молекул, колеблющихся на световой частоте, могут обеспечить еще более высокую точность измерений. Определение частот оптических переходов также необходимо для проверки физических законов — например, теорий строения атомов — и уточнения величин фундаментальных физических постоянных. Однако для применения таких методик необходима сетка так называемых опорных частот, привязанная к цезиевому стандарту и перекрывающая оптический диапазон, которая позволит точно измерить частоту используемых световых колебаний.

Долгое время для этого создавались сложные системы из множества лазеров, лазерные частотные цепочки, основанные либо на генерации высших гармоник, либо на генерации разностных частот. На рубеже ХХ и ХХI веков был разработан принципиально новый подход — с использованием так называемых лазерных частотных гребенок. Оказалось, что фемтосекундные лазеры, работающие в режиме синхронизации мод и излучающие периодическую последовательность сверхкоротких импульсов, позволяют генерировать оптический сигнал, спектр которого содержит набор эквидистантно (то есть на стабильно равном удалении друг от друга) расположенных узких спектральных линий.

С математической точки зрения периодическая последовательность импульсов описывается с помощью ряда Фурье, а линии гребенки соответствуют элементам этого ряда. Если спектральная ширина такого сигнала достаточно велика (превышает октаву), то можно создать высокостабильную сетку частот, пригодную для прецизионных оптических измерений. В дальнейшем лазерные частотные гребенки стали использоваться в научных исследованиях, уже более двадцати лет они служат важным инструментом для высокоточной спектроскопии, исследующей свойства материалов, прецизионной частотной метрологии, позволяющей проверять фундаментальные физические законы; для создания оптических атомных часов и генерации радиоволн с предельной фазовой стабильностью.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Человекоориентированный искусственный интеллект Человекоориентированный искусственный интеллект

Компании Neuralink удалось научить человека управлять курсором с помощью мыслей

Наука
Ностальгический вайб: какие звезды из 1990-х переживают новую волну популярности Ностальгический вайб: какие звезды из 1990-х переживают новую волну популярности

Почему артисты, дебютировавшие около 30 лет назад, снова становятся хедлайнерами

Forbes
Будьте здоровы Будьте здоровы

Розмарин против болезни Альцгеймера, тимелевые — против рака

Знание – сила
Параллельщики. Carwin — о главных ошибках при поиске машины за рубежом Параллельщики. Carwin — о главных ошибках при поиске машины за рубежом

Как отличить реального поставщика от хорошо замаскированного обманщика

РБК
Лиза Шакира: «Умение признавать свой страх очень облегчает любую работу» Лиза Шакира: «Умение признавать свой страх очень облегчает любую работу»

Вдруг все мои достижения, все мои роли — это лишь случайность?

Коллекция. Караван историй
Искусственный интеллект, настоящие чувства. Почему люди заводят романы с чат-ботами Искусственный интеллект, настоящие чувства. Почему люди заводят романы с чат-ботами

Почему люди влюбляются в чат-ботов и какие опасности таят такие связи?

Inc.
Борьба за наследство Борьба за наследство

Диадохи: наследники Александра Македонского, развалившие его империю

Дилетант
«Важно запасть в душу потребителю» «Важно запасть в душу потребителю»

Как государство поддерживает экспортеров

Эксперт
Самые крупные землетрясения в истории СССР и России Самые крупные землетрясения в истории СССР и России

Землетрясения, которые лишили крова тысячи людей в СССР и России

Maxim
Тропические болота нивелировали успехи арктических в поглощении углерода Тропические болота нивелировали успехи арктических в поглощении углерода

Почему снижается продуктивность болот, поглощающих углерод

N+1
Инвесторы стали избирательнее и осторожнее Инвесторы стали избирательнее и осторожнее

Агробизнес продолжает планировать инвестиции в развитие

Агроинвестор
Вера Васильева: «Я ничего специально не делаю, живу как хочется» Вера Васильева: «Я ничего специально не делаю, живу как хочется»

Ее взлет в кино был ярким и мощным, а годы в профессии — разными, трудными...

Караван историй
Мы станем родителями Мы станем родителями

Как оригинально сообщить мужу о беременности

Лиза
Отдых с детьми Отдых с детьми

Как отдохнуть с детьми и не сойти с ума?

Здоровье
Нарыли контент Нарыли контент

Звездные фермеры, которые учат выращивать урожай и разводить скот

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Сезон слабого зернового экспорта Сезон слабого зернового экспорта

Основная причина сокращения поставок зерна по итогам сезона 2024/25

Агроинвестор
Скользкий путь Скользкий путь

Отрывок из биографии Себастьяна Феттеля — о его первых соревнованиях

Ведомости
Роботы против дефицита Роботы против дефицита

Роботизация помогает бизнесу, но требует новых специалистов

Ведомости
В Т-банке не согласились с ЦБ по поводу принудительной замены банковских карт В Т-банке не согласились с ЦБ по поводу принудительной замены банковских карт

Принудительный перевыпуск карт приведет к лишним затратам и неудобству

Ведомости
Москва на экране Москва на экране

Почему регионы готовы доплачивать за съемки фильмов на своей территории

Эксперт
Трагедия на химическом заводе Philips в 1989 году Трагедия на химическом заводе Philips в 1989 году

Что привело к ужасной трагедии на заводе Philips и какими стали ее последствия

ТехИнсайдер
Как получить максимум пользы для здоровья от велосипеда: 10 самых мудрых (и простых) правил Как получить максимум пользы для здоровья от велосипеда: 10 самых мудрых (и простых) правил

Десять универсальных законов, помогающих всем освоить велосипед

ТехИнсайдер
Что такое поликарьера и чем она отличается от подработки Что такое поликарьера и чем она отличается от подработки

Горизонтальный рост: что такое поликарьера и кому она подходит

Ведомости
Мошенники делают ставки Мошенники делают ставки

Как мошенники используют аккаунты граждан в букмекерских конторах

Ведомости
Астероидные кольца, сила гравитации и сжатие звездного облака: откуда взялась Луна Астероидные кольца, сила гравитации и сжатие звездного облака: откуда взялась Луна

Почему ни одна из гипотез не может объяснить, как на самом деле «родилась» Луна

Maxim
Музей как увлечение Музей как увлечение

Единственный в своем роде: музей при Институте космических исследований РАН

Знание – сила
Уязвимое место: почему колени так часто травмируются Уязвимое место: почему колени так часто травмируются

Почему колени — такое болезненное и уязвимое место в теле человека?

ТехИнсайдер
Водолей — это знак Водолей — это знак

Как помочь организму сохранить живительную влагу?

Собака.ru
Разбор провальных технологий: технопатологоанатом Разбор провальных технологий: технопатологоанатом

Истории, которые могли бы стать прорывными, но так и не стали

ТехИнсайдер
Стремечко назвали идеальной костью для палеогеномного исследования Стремечко назвали идеальной костью для палеогеномного исследования

Почему при анализе древней ДНК нужно отдавать предпочтение стремечку

N+1
Открыть в приложении