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

Эта контрастная планета Эта контрастная планета

«Аэлита» Якова Протазанова — первый большой фильм о космическом полете

Наука
В России художник — пророк В России художник — пророк

Что и как видит художник и зачем вообще нужны искусствоведы

Монокль
Как молния выбирает цель Как молния выбирает цель

Как молния находит молниеотвод среди множества других привлекательных целей?

Наука и жизнь
Камерно и точечно Камерно и точечно

Софья Синицына и ее год положительной трансформации

OK!
Вячеслав Макаров: «Моя свадьба будет тихой и уютной» Вячеслав Макаров: «Моя свадьба будет тихой и уютной»

Артист Вячеслав Макаров – о скрытых недостатках и эмоциональных качелях

VOICE
Глаз-синхротрон Глаз-синхротрон

О том, как научить искусственный интеллект понимать, а не угадывать химию

Наука и жизнь
Команда спасателей Команда спасателей

Справляемся с отпускными кризисными бьюти-ситуациями

Moodboard
Кабачки Кабачки

Куда девать кабачки летом?

Здоровье
Погружной или стационарный блендер: какой выбрать Погружной или стационарный блендер: какой выбрать

Сравниваем плюсы и минусы погружного и стационарного блендера

CHIP
В Белизе обнаружили гробницу майяского правителя В Белизе обнаружили гробницу майяского правителя

Что археологи обнаружили в царском захоронении древних майя

N+1
Круизы: новая глава Круизы: новая глава

Rei — проект 196‑метровой круизной яхты от конгломерата Viken Group

Y Magazine
У Татьяны Замировской вышла книга «Свечи апокалипсиса». MAXIM публикует эксклюзивный отрывок У Татьяны Замировской вышла книга «Свечи апокалипсиса». MAXIM публикует эксклюзивный отрывок

Книга про самый дорогогой свечной бутик в Нью-Йорке основана на реальном опыте

Maxim
Что такое калланетика и помогает ли она похудеть: 9 упражнений Что такое калланетика и помогает ли она похудеть: 9 упражнений

Эффективный комплекс упражнений для укрепления мышц, которые можно делать дома

РБК
Тело, страхи и перверсии: Дэвид Кроненберг в пяти фильмах Тело, страхи и перверсии: Дэвид Кроненберг в пяти фильмах

Работы, которые помогут лучше понять Дэвида Кроненберга

Правила жизни
Все не просто так: почему теннисный мяч ярко-желтого цвета? Все не просто так: почему теннисный мяч ярко-желтого цвета?

Почему в итоге ярко-желтый окрас стал «официальным» для теннисного мяча?

ТехИнсайдер
Андрей Борисов: Театр – это эссенция жизни, субстрат смыслов Андрей Борисов: Театр – это эссенция жизни, субстрат смыслов

Гендиректор МАМТа — о миссии театра, лидерстве и ценностях для нового поколения

Ведомости
Превратить экранное время в деньги: как поколение альфа зарабатывает в смартфонах Превратить экранное время в деньги: как поколение альфа зарабатывает в смартфонах

Дети и подростки, которым исполняется около 15 лет, уже зарабатывают деньги

Forbes
Денис Власенко: «Все-таки мир не черно-белый» Денис Власенко: «Все-таки мир не черно-белый»

Денис Власенко о «супергеройских» ролях и о том, каково это в возрастном гриме

Ведомости
Мужчины придут сами: почему ТЦ не пытаются привлечь самых перспективных покупателей Мужчины придут сами: почему ТЦ не пытаются привлечь самых перспективных покупателей

Каких покупателей стараются привлекать торговые центры?

Forbes
«Тратить — очень круто»: как зумеры ведут себя с деньгами «Тратить — очень круто»: как зумеры ведут себя с деньгами

Как молодые взрослые ищут баланс между тратами и накоплениями

РБК
Архив богини Фауны Архив богини Фауны

Зоологический музей Московского университета – «отражение самой природы»

Знание – сила
Строительство на Марсе: как грибы и цианобактерии помогут развитию колоний Строительство на Марсе: как грибы и цианобактерии помогут развитию колоний

Для строительства на Марсе не понадобятся ракеты с рабочими материалами

ТехИнсайдер
Исследование: мозг пользователей TikTok работает иначе в рискованных ситуациях Исследование: мозг пользователей TikTok работает иначе в рискованных ситуациях

У пользователей TikTok и Reels возрастает склонность к импульсивным решениям

Inc.
«Не от хорошей жизни»: как поливоркинг стал трендом и чем он опасен «Не от хорошей жизни»: как поливоркинг стал трендом и чем он опасен

Как поливоркерам сохранить здоровье и продуктивность

Forbes
Обмануть время: зачем во многих странах переводят часы на зимнее и летнее время и почему в России от этого отказались Обмануть время: зачем во многих странах переводят часы на зимнее и летнее время и почему в России от этого отказались

Зачем вообще была придумана практика перевода часов на зимнее время?

ТехИнсайдер
Один снимок, миллион проблем: почему не стоит публиковать фото посадочного талона в социальных сетях Один снимок, миллион проблем: почему не стоит публиковать фото посадочного талона в социальных сетях

Чем рискуют те, кто решился на традиционное фото с посадочным талоном?

ТехИнсайдер
Главное – остаться незамеченным Главное – остаться незамеченным

В чем состоит военная (а возможно, и не только) хитрость стелс-технологии?

Наука и техника
Защищать нельзя загорать Защищать нельзя загорать

Загорать или нет? Вот в чём вопрос

Здоровье
Пять вещей, которые категорически нельзя оставлять в машине в жару Пять вещей, которые категорически нельзя оставлять в машине в жару

Какие оставленные в автомобиле вещи в жаркую погоду могут быть фатальными

РБК
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
Открыть в приложении