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

Картины мира в стихах слепоглухонемого поэта Картины мира в стихах слепоглухонемого поэта

Какие языковые средства подбирает поэт, которому не дано видеть и слышать?

Наука
История одной песни: «Все идет по плану», «Гражданская оборона», 1988 год История одной песни: «Все идет по плану», «Гражданская оборона», 1988 год

Вечно актуальная песня в наших землях

Maxim
Золотой век палеонтологии Золотой век палеонтологии

Динозавры выглядели совсем не так, как мы их себе представляли

Наука и жизнь
Саяка Мурата: «Земляноиды». Мрачная антиутопия в переводе Дмитрия Коваленина Саяка Мурата: «Земляноиды». Мрачная антиутопия в переводе Дмитрия Коваленина

Отрывок из японской антиутопии «Земляноиды» на тему одиночества и неравенства

СНОБ
Учись, студент! Учись, студент!

Маша Студент к лету готова!

Playboy
«Властелин колец: кольца власти»: битва за мировое господство «Властелин колец: кольца власти»: битва за мировое господство

Сериал Prime Video с самым большим бюджетом за всю историю кинематографа

Эксперт
Необычные применения яблочного уксуса в быту: вы точно не знали, что это настолько полезный продукт! Необычные применения яблочного уксуса в быту: вы точно не знали, что это настолько полезный продукт!

Яблочный уксус — полезная добавка к блюдам и незаменимый помощник в быту

TechInsider
«Осталась и без денег, и без мужа» «Осталась и без денег, и без мужа»

Истории женщин, которые подсели на марафоны желаний

Лиза
Алена Прекрасная Алена Прекрасная

От артиста ожидаешь всякого. Но точно не скромности и кротости

VOICE
Чтение на 15 минут: «Ариадна Эфрон: рассказанная жизнь» Чтение на 15 минут: «Ариадна Эфрон: рассказанная жизнь»

Отрывок из сборника рассказов дочери Марины Цветаевой Ариадны Эфрон

Arzamas
Потепление климата ускорило разложение древесины термитами Потепление климата ускорило разложение древесины термитами

По мере повышения температуры термиты станут активнее разлагать валежник

N+1
Как узнать, как ты записан в телефоне у других людей: простые способы Как узнать, как ты записан в телефоне у других людей: простые способы

Как определить, под каким именем значится конкретный номер в чужом смартфоне

CHIP
Baltic 146 Path Baltic 146 Path

Особенности парусника Baltic 146 Path и этапы его создания

Y Magazine
Номера телефонов – почему они такие. Откуда взялась система телефонной нумерации Номера телефонов – почему они такие. Откуда взялась система телефонной нумерации

Что такое префикс, почему в номере столько цифр и как мошенники подменяют номера

Цифровой океан
Признать поражение, чтобы одержать победу Признать поражение, чтобы одержать победу

Как Генри Торо ушел из мира и что этим приобрел

Weekend
9 книг, которые помогут приблизиться к миру современного искусства 9 книг, которые помогут приблизиться к миру современного искусства

Из этих книг можно узнать, как воспринимать непонятные арт-объекты

РБК
На игле На игле

Действительно ли бьюти-капельницы работают во благо или это просто маркетинг

Grazia
Травы для женщин Травы для женщин

В арсенале фитотерапии есть немало лекарственных растений, которые тебе помогут

Лиза
Изучим меню. Для тех, кто на диете Изучим меню. Для тех, кто на диете

Что заказать в кафе, чтобы не сидеть голодной

Лиза
Насильственная психотерапия: Стив Карелл в новом сериале о внутреннем мире маньяков Насильственная психотерапия: Стив Карелл в новом сериале о внутреннем мире маньяков

«Пациент» — психологический триллер о психотерапевте

Forbes
Любовный треугольник Ленина: как неприметная Крупская увела Ильича у красотки Якубовой Любовный треугольник Ленина: как неприметная Крупская увела Ильича у красотки Якубовой

Не всем известно, что семья "отца революции" началась с "романа на троих"

VOICE
Острова сокровищ Острова сокровищ

Яхтинг на Филиппинах — открываем дивный мир, включающий более 7000 островов

Y Magazine
+10: ненадёжные рассказчики +10: ненадёжные рассказчики

Галерея ненадёжных рассказчиков в русской литературе

Полка
5 причин, почему женщины чаще подают на развод 5 причин, почему женщины чаще подают на развод

Почему именно женщины становятся инициаторами завершения брака?

Psychologies
Почему электромобили на самом деле очень опасны? Все дело в шуме Почему электромобили на самом деле очень опасны? Все дело в шуме

Как должны звучать электромобили?

TechInsider
Как сверхтвердая форма алмаза оказалась внутри редких метеоритов: загадка лонсдейлита Как сверхтвердая форма алмаза оказалась внутри редких метеоритов: загадка лонсдейлита

Почему особую форму алмаза продолжают находить внутри метеоритов редкого типа

TechInsider
Равная Халку: удалась ли новая попытка добавить феминизм во вселенную Marvel Равная Халку: удалась ли новая попытка добавить феминизм во вселенную Marvel

«Женщина-Халк» — отражение эпохи Time’s Up и #MeToo

Forbes
Крылатый гость Крылатый гость

Дебютный роман Соболева – «Грифоны охраняют лиру» – вышел в 2021 году

Правила жизни
«Злая сестра Петра I»: почему биографию царевны Софьи пора переосмыслить «Злая сестра Петра I»: почему биографию царевны Софьи пора переосмыслить

Царевна Софья, с ее умом и образованием, могла бы стать неплохой правительницей

Forbes
Растущий на обочине Растущий на обочине

Да, пожалуй, ни одну из дорог невозможно представить без этого растения

Наука и жизнь
Открыть в приложении