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

Микробиота кишечника определяет социальное поведение Микробиота кишечника определяет социальное поведение

Какие гены участвуют в механизме взаимодействия мозга и кишечника?

Наука
JALAGONIA: «Мой первый альбом написан от души, вы это почувствуете» JALAGONIA: «Мой первый альбом написан от души, вы это почувствуете»

JALAGONIA за 21 год уже прошла большой творческий путь

ЖАРА Magazine
Новые доказательства биогенного происхождения железо-марганцевых образований Новые доказательства биогенного происхождения железо-марганцевых образований

Ученые раскрыли тайну происхождения рифтовых железо-марганцевых образований

Знание – сила
Есть на что строить Есть на что строить

Зачем создавать отдельный механизм финансирования — инфраструктурные облигации?

Монокль
Революция как массовый психоз? Революция как массовый психоз?

Учёный или шарлатан? Как разбирали труды Чижевского в 1940 году

Дилетант
Как мужчины разрушают нашу самооценку: что делать и как дать отпор Как мужчины разрушают нашу самооценку: что делать и как дать отпор

Как неосторожные слова и поступки мужчин могут подрывать нашу самооценку

VOICE
Белеет парус на болоте Белеет парус на болоте

Чем так уникален нерукотворный природный парус — белокрыльник болотный?

Наука и жизнь
Самый секретный агент Самый секретный агент

Из чего сделан мир Джеймса Бонда Яна Флеминга

Weekend
На аллеях Аполлона На аллеях Аполлона

Остафьево: образ места, где всё буквально дышит поэзией

Знание – сила
Почему машина заводится и глохнет и что с этим делать Почему машина заводится и глохнет и что с этим делать

Что делать, если машина глохнет: причины, диагностика, куда смотреть

РБК
Жаркое лето в Сибири Жаркое лето в Сибири

Природный отдых у города: почему стоит поехать в Новосибирск летом

Отдых в России
TESS отыскал экзогиганта у очень маломассивной звезды TESS отыскал экзогиганта у очень маломассивной звезды

TESS вновь обнаружил экзогиганта у маломассивной звезды

N+1
Любовь к животным и санкции Любовь к животным и санкции

Почему рынок кормов — перспективное направление для инвестиций

Агроинвестор
Компьютерное зрение: когда роботы перестали тыкать пальцем в небо? Компьютерное зрение: когда роботы перестали тыкать пальцем в небо?

Зачем нужно компьютерное зрение и какие задачи оно решает в разных сферах

Наука и техника
Шоураннеры «Фишера»: Человек любит смотреть в кино на что-то ужасное Шоураннеры «Фишера»: Человек любит смотреть в кино на что-то ужасное

Создатели «Фишера» — о том, как луна-парк стал главным референсом мира сериала

Ведомости
Активный сезон Активный сезон

Самые классные и полезные летние развлечения

Лиза
Утерянный 5000 лет назад: ученые воскресили древнейший в мире синтетический краситель. Зачем он нужен? Утерянный 5000 лет назад: ученые воскресили древнейший в мире синтетический краситель. Зачем он нужен?

Откуда взялся яркий, насыщенный синий цвет в Древнем Египте

Inc.
50 лет исследований показали: эти 4 ошибки разрушают брак 50 лет исследований показали: эти 4 ошибки разрушают брак

Четыре стратегии общения, которые могут привести к расставаниям и разводам

Inc.
Динозавры за Полярным кругом Динозавры за Полярным кругом

Как жили динозавры и их соседи в условиях крайнего Севера или Юга

Наука и техника
Балтийский берег Балтийский берег

Где лучше всего отдыхать на Балтийском море

Лиза
Катай на здоровье Катай на здоровье

Как укрепить мышцы кора и натренировать стабилизацию

ЖАРА Magazine
«Любая цифровизация должна сопровождаться стратегией по кибербезопасности» «Любая цифровизация должна сопровождаться стратегией по кибербезопасности»

Почему одни компании видят отдачу от внедрения цифровых решений, а другие нет?

Ведомости
Дипфейк и верификация видео: как не стать жертвой обмана Дипфейк и верификация видео: как не стать жертвой обмана

Как обезопасить себя от дипфейков и мошеннических видео

Правила жизни
Екатерина Глухарева: «Банки видят уязвимости бизнеса и помогают их исправлять» Екатерина Глухарева: «Банки видят уязвимости бизнеса и помогают их исправлять»

Директор по рискам «Точка банк» — о видах атак мошенников на малый бизнес

Ведомости
«Мои счастливейшие дни…» «Мои счастливейшие дни…»

Понятие гения места, «genius loci» – к Остафьево применимо как нельзя более

Знание – сила
Попасть в настоящее кино Попасть в настоящее кино

Новый кинопарк «Москино» — центр съемок и место притяжения туристов

Отдых в России
Уголь в цене Уголь в цене

Что происходит с ценами на уголь и что на них влияет

Ведомости
Антисмартфоны и цифровые детокс-устройства: как tech-индустрия зарабатывает на нашей усталости от экранов Антисмартфоны и цифровые детокс-устройства: как tech-индустрия зарабатывает на нашей усталости от экранов

Гаджеты, которые помогут вернуть контроль над своим временем

Inc.
Перелет–2023 «Байкальская кругосветка» Перелет–2023 «Байкальская кругосветка»

«Байкальская кругосветка» – воздушное путешествие вокруг знаменитого озера

Наука и техника
Поговорим о космологии Поговорим о космологии

Пять работ, посвященных космологии, с комментариями специалиста

Знание – сила
Открыть в приложении