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

Сергей Капица как искусственный интеллект Сергей Капица как искусственный интеллект

В чем опасность цифрового двойника человека

Наука
Тайна «пляжного тела» Тайна «пляжного тела»

«Пляжное тела»: почему оно есть у всех и в то же время не существует

VOICE
Рефераты Рефераты

Параметры пленок алюминия и новая технология легирования алмаза

Наука и жизнь
Грибы Грибы

Полны белка и клетчатки: чем полезны грибы и как их готовить?

Здоровье
Дефициту бюджета есть простое объяснение Дефициту бюджета есть простое объяснение

Чем вызван растущий дефицит федерального бюджета

Монокль
Завтра наступит сегодня Завтра наступит сегодня

Примеряемся к автомобилям из области фантастики

Moodboard
Группа GORODA: «В России есть достойные музыканты» Группа GORODA: «В России есть достойные музыканты»

Группа GORODA стремительно ворвалась на музыкальную сцену, став ярким открытием

ЖАРА Magazine
Пинты лиха Пинты лиха

Культура Туманного Альбиона кроется в акцентах — в том числе и музыкальных

Weekend
Дышать или не дышать: насколько эффективна дорогостоящая ксенонотерапия Дышать или не дышать: насколько эффективна дорогостоящая ксенонотерапия

Ксенонотерапия: что это за метод, безопасен ли он и насколько полезен в лечении?

Forbes
Скоро на экранах Скоро на экранах

Кем могли бы стать молодые актеры, если бы выбрали другую профессию?

Grazia
Дорогой лапши Дорогой лапши

Китайская лапша давно свернула с Великого шелкового пути

Seasons of life
Одно из самых опасных транспортных средств: как погибла Мэри Уорд — первая в мире жертва автомобильного ДТП Одно из самых опасных транспортных средств: как погибла Мэри Уорд — первая в мире жертва автомобильного ДТП

Кто такая Мэри Уорд и как она связана с первым в мире ДТП

ТехИнсайдер
Место встречи, а не экскурсия Место встречи, а не экскурсия

Как сделать культуру и искусство доступными и понятными для широкой аудитории?

Монокль
От бобра до банкротства: 1670–2025 От бобра до банкротства: 1670–2025

История самой старой компании Северной Америки

Деньги
Спаривание черного ягуара впервые запечатлели в природе Спаривание черного ягуара впервые запечатлели в природе

Самка-меланистка совокупилась с пятнистым самцом в одном из национальных парков

N+1
Виноват не хакер: 4 мифа о кибербезопасности, которые ставят бизнес под удар Виноват не хакер: 4 мифа о кибербезопасности, которые ставят бизнес под удар

Проблема кибербезопасности может крыться не в хакерах, а в сотрудниках

Inc.
Гейхеры & Cо Гейхеры & Cо

Надо ли заводить гейхеры и насколько они будут обременительны в уходе

Наука и жизнь
Без укачивания Без укачивания

Укачивание способно превратить в испытание любую дорогу. Но все можно исправить!

Лиза
Романтики Севера Романтики Севера

Чем привлекает людей Арктика? Почему сюда по-прежнему едут энтузиасты?

Отдых в России
Обзор Hyundai Staria: так ли хорошо едет «спейс шаттл», как выглядит Обзор Hyundai Staria: так ли хорошо едет «спейс шаттл», как выглядит

Hyundai Staria: Внеземной минивэн по земным ценам

ТехИнсайдер
Что у Intel инсайд? Что у Intel инсайд?

В надежде спасти Intel Трамп покупает пакет компании. Кажется, это жест отчаяния

Монокль
Я поднимаю свой — вокал Я поднимаю свой — вокал

Вечный спор физиков и лириков: можно ли стать певцом в зрелом возрасте?

ЖАРА Magazine
Игорь Никитин: Вокруг меня нет случайных людей Игорь Никитин: Вокруг меня нет случайных людей

Тренер ПХК ЦСКА Игорь Никитин — о подготовке команды к сезону и личной жизни

Ведомости
Флагман дальнего плавания Флагман дальнего плавания

Bering 165 — это судно с отвесным форштевнем и высоким бортом до миделя

Y Magazine
Равнодушные сотрудники и старые технологии: за что Sony не полюбил СССР Равнодушные сотрудники и старые технологии: за что Sony не полюбил СССР

Визит Акио Мориты в СССР: почему советские рабочие отпугнули основателя Sony

ТехИнсайдер
Простор для творчества Простор для творчества

Верфь Bilgin Yachts продолжает успешную серию 50‑метровых яхт Bilgin 163

Y Magazine
Нейросети в «стране городов» Нейросети в «стране городов»

Как ученые изучали «Страну городов» с помощью нейросетей

Наука и жизнь
Как справиться с текучестью кадров Как справиться с текучестью кадров

Как эффективно работать с персоналом и уменьшить риск ухода сотрудников

Inc.
Телескоп Chandra показал, что творится внутри звезды перед ее гибельным взрывом Телескоп Chandra показал, что творится внутри звезды перед ее гибельным взрывом

Драма за часы до взрыва звезды

ТехИнсайдер
«Владивосток может стать новым Гонконгом» «Владивосток может стать новым Гонконгом»

Экономический ландшафт Дальнего Востока меняется, он привлекает инвестиции

Деньги
Открыть в приложении