Лазер, оптические частоты и сверхточные часы
3 декабря 2001 г.
Директор института профессор Теодор Хенш говорит:
- Наше новое изобретение позволяет с помощью очень компактного оборудования, содержащего один-единственный лазер, быстро измерять любые частоты, причём сегодня уже с точностью до 15-го знака.
До недавнего времени для измерения частот электромагнитных волн в диапазоне видимого света учёным приходилось пользоваться исключительно сложным, громоздким и дорогим оборудованием. Дело в том, что эти частоты слишком уж велики и не поддаются прямому измерению – скажем, синий свет имеет частоту около одного квадриллиона колебаний в секунду, то есть примерно миллиард гигагерц. Теперь профессор Теодор Хенш разработал методику измерения сверхвысоких частот с помощью гребенчатого спектра, генерируемого скоростным импульсным лазером.
- Делая вспышки всё более короткими, я получаю всё более широкий спектр. Скажем, импульс длительностью в одну фемтосекунду имеет уже очень широкий спектр. Но спектр одного импульса будет непрерывным, никаких дискретных пиков в нём нет. Гребенчатый спектр получается, если использовать множество последовательных импульсов. Причём это должен быть строго периодический процесс, который в математике описывается так называемым тригонометрическим рядом Фурье. Элементы этого ряда и являют собой пики спектра.
Принцип, положенный им в основу измерения оптических частот, профессор Хенш излагает так:
- Представим себе, что у меня есть лазер непрерывного излучения, частоту которого я хочу измерить. С помощью специального устройства для расщепления светового пучка на базе системы зеркал я могу наложить луч лазера на эталонный гребенчатый спектр и полученный суммарный луч направить на фотодетектор. Тот зарегистрирует низкочастотные колебания интенсивности, вызванные интерференцией луча лазера с эталонным спектром. Зная частоту эталонного спектра и частоту интерференционных колебаний, я без особого труда смогу вычислить частоту лазера.
Понятно, что такого рода измерения необходимы, прежде всего, в области фундаментальных исследований, однако этим их значение не ограничивается.
- Этот гребенчатый частотный спектр имеет и прикладное значение. В частности, открываются перспективы его применения в области информатики и телекоммуникации. Чтобы повысить пропускную способность волоконно-оптических сетей, для одновременной транспортировки разных пакетов данных в одном и том же волокне уже сегодня используются световые сигналы разных цветов. Дальнейшее уплотнение каналов возможно лишь за счёт сближения частот используемых синхронно световых сигналов, что позволит увеличить их количество. Но для этого надо уметь очень точно контролировать цвета, то есть измерять частоты этих сигналов. Я думаю, в недалёком будущем количество таких сигналов в одном волокне будет исчисляться сотнями тысяч, и наш гребенчатый спектр будет играть тут ключевую роль.
Столь же незаменимым гребенчатый спектр может оказаться и при создании сверхточных часов:
- Действительно, американским инженерам недавно удалось с нашей помощью реализовать такие оптические атомные часы. По точности они уже сейчас не уступают лучшим атомным часам обычной конструкции. Но мы надеемся, что через несколько лет сможем повысить точность оптических часов на три порядка, то есть сделать их в тысячу раз точнее, чем самые совершенные атомные часы традиционного образца.
Сверхточные часы необходимы, например, для проверки некоторых положений общей теории относительности Эйнштейна. А кроме того, такие часы позволят ответить на вопрос, действительно ли постоянны мировые константы или они, пусть и крайне медленно, но всё же меняются. В поиске ответов на эти вопросы Институт квантовой оптики призван сыграть не последнюю роль:
- Что касается нашего изобретения как такового, то тут мы, вне всякого сомнения, являемся мировым лидером. Многие лаборатории в разных странах работают теперь в этом направлении. Если же иметь в виду коммерческое использование нашей разработки, то она запатентована, и это позволяет нам с уверенностью смотреть в будущее.