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

Вездесущий клещ Вездесущий клещ

Нина Тикунова поделилась своим видением клещевой проблемы в России и в мире

Наука
Дэвид Хокни: большой всплеск Дэвид Хокни: большой всплеск

В 88 лет Дэвид Хокни сумел остаться актуальным в XXI веке

Монокль
Наука и жизнь. Архив Наука и жизнь. Архив

Статьи об исследованиях жидкого гелия и вообще низких температур

Наука и жизнь
К успеху шел К успеху шел

10 лиц художника Ильи Машкова

Weekend
Переходи на зеленый Переходи на зеленый

Мода на экосексуальность и привычки, полезные для тебя и для природы

Лиза
Почему свистит ремень генератора и как его проверить Почему свистит ремень генератора и как его проверить

Свистит ремень генератора: что делать и как проверить

РБК
Список уловок телефонных мошенников: разбираем самые частые способы обмана Список уловок телефонных мошенников: разбираем самые частые способы обмана

Список из самых распространенных атак телефонных мошенников

Maxim
От Чувака до Гарфилда: 13 киногероев, которые сделали лень культовой От Чувака до Гарфилда: 13 киногероев, которые сделали лень культовой

Киногерои, чье бездействие стало зеркалом тревог и надежд целых поколений

Правила жизни
Тысячи сомиков-шмелей вскарабкались по водопадам Тысячи сомиков-шмелей вскарабкались по водопадам

Почему южноамериканские сомики-шмели необычно ведут себя у водопадов

N+1
Простой шаг, который сделает еду, разогретую в микроволновке, по-настоящему вкусной Простой шаг, который сделает еду, разогретую в микроволновке, по-настоящему вкусной

Зачем менять уровень мощности СВЧ-печи?

VOICE
Минута славы Минута славы

Как снимать в путешествиях видео, которые станут популярными в соцсетях

Лиза
Регионы не оправдали кредиты Регионы не оправдали кредиты

Счетная палата усомнилась в эффективном использовании кредитов регионами

Ведомости
Вечная молодость: 7 легендарных внедорожников, которые выпускались более 20 лет Вечная молодость: 7 легендарных внедорожников, которые выпускались более 20 лет

Автотитаны, которые десятилетиями остаются на конвейере

4x4 Club
В сосновом бору В сосновом бору

Настоящий гимн природе в интерьере загородного дома в пригороде Новосибирска

SALON-Interior
Как Гарвард придумал систему отбора из-за неприязни к евреям и зачем ему спортсмены Как Гарвард придумал систему отбора из-за неприязни к евреям и зачем ему спортсмены

Какие механизмы ведут к сдвигам в поведении и убеждениях людей?

Forbes
56 млн лет назад Земля пережила климатический кризис. Может ли он случиться вновь 56 млн лет назад Земля пережила климатический кризис. Может ли он случиться вновь

Ученые изучили древние отложения в бассейне Бигхорн в Вайоминге, США

ТехИнсайдер
Марат Хуснуллин: 19% девелоперов сегодня находятся в зоне риска Марат Хуснуллин: 19% девелоперов сегодня находятся в зоне риска

Марат Хуснуллин о том, какие времена сейчас переживают девелоперы жилья

Ведомости
Целиком и полностью: гид по творчеству Луки Гуаданьино Целиком и полностью: гид по творчеству Луки Гуаданьино

Творческий путь Луки Гуаданьино: о главных его работах

Правила жизни
Генеральный директор Ozon Fintech Ваэ Овасапян: Мы дитя СБП Генеральный директор Ozon Fintech Ваэ Овасапян: Мы дитя СБП

Как банки при маркетплейсах становятся ключевыми игроками на финансовом рынке

Ведомости
Приманка для зумера: почему у молодежи меняется мотивация и как с этим работать Приманка для зумера: почему у молодежи меняется мотивация и как с этим работать

Как работодателям правильно воспринимать новые тенденции мотивации сотрудников

Forbes
В отношения США и России вернулся «просто бизнес» В отношения США и России вернулся «просто бизнес»

Как и 90 лет назад, Америка заинтересована выстроить взаимоотношения с Россией

Монокль
«Вместо тремора — бодрость и спокойствие»: почему люди стали чаще выбирать чай вместо кофе «Вместо тремора — бодрость и спокойствие»: почему люди стали чаще выбирать чай вместо кофе

Почему люди меняют свои привычки и действительно ли чай может заменить кофе

Правила жизни
Как написать в Ватсап без добавления контакта Как написать в Ватсап без добавления контакта

Разберем, написать в Ватсап без добавления номера в телефонную книгу

CHIP
Хватит на всё Хватит на всё

Как экономить в большой семье: советы по управлению домашним бюджетом

Лиза
На двух софтах На двух софтах

Почему российские компании продолжают работать на смешанном софте

Ведомости
Живот одобрит Живот одобрит

Чем питаться при синдроме раздраженного кишечника

Лиза
Мысль как вечное движение, – или «Что такое интеллигенция»… Мысль как вечное движение, – или «Что такое интеллигенция»…

Беседа с Константином Кедровым о немецком философе Гегеле

Знание – сила
Зеленый доктор Зеленый доктор

Чем больше «травы» – тем меньше вес

Лиза
«Американцы хорошо продают себя, но работают слабо». 5 бизнес-ошибок основателя платформы ИИ-музыки Mubert «Американцы хорошо продают себя, но работают слабо». 5 бизнес-ошибок основателя платформы ИИ-музыки Mubert

Чего не следует делать стартапам с совершенно новой технологией на рынке

Inc.
Государственный инвестор Государственный инвестор

Инвестиционная активность предприятий остается высокой за счет госвложений

Ведомости
Открыть в приложении