Самый стабильный лазер в мире

Новый кремниевый резонатор сохраняет стабильность лазерной частоты выше, чем когда-либо  прежде.

Таковы результаты исследования ученых из Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Германия) и их коллег из Национального института стандартов и технологий США.

Разработка, о которой сообщается в издании Nature Photonics, важна для оптической спектроскопии с высоким разрешением, например, ультрахолодных атомов. Однако, прежде всего, еще более стабильный лазер теперь стал доступен для использования в атомных часах.

Оптическим атомным часам требуются лазерные источники, которые излучают свет с экстремально постоянной частотой. Коммерческие лазерные системы не подходят для этой цели без дополнительных мер. Однако можно достичь этого, стабилизировав их, например, с помощью оптических резонаторов. Последние состоят из двух высокоотражающих зеркал, установленных на фиксированном расстоянии с помощью распорной детали. Решающий аспект заключается в следующем: по аналогии с трубой органа частоту, с которой свет может начать колебаться, определяет длина резонатора. Следовательно, стабильному лазеру требуется резонатор со стабильной длиной, то есть расстояние между зеркалами должно сохраняться настолько постоянным, насколько это возможно.

Современные стабилизированные резонатором лазерные системы были технически развиты до такой степени, что их стабильность ограничивалась тепловыми помехами резонаторов. Подобно Броуновскому движению молекул, атомы в резонаторе постоянно перемещаются и, таким образом, ограничивают стабильность его длины. До сих пор резонаторы изготавливались из стекла, чья беспорядочная и мягкая материальная структура демонстрирует особенно сильные движения. Для нового резонатора ученые использовали монокристаллический кремний, особенно жесткий и потому малошумящий материал. Охлажденный до температуры -149 градусов по Цельсию (124 по Кельвину), кремний характеризуется чрезвычайно малым тепловым расширением, а остаточные тепловые помехи дополнительно снижены. Чтобы управлять резонатором при такой температуре, ученые должны, прежде всего, разработать подходящий криостат с низкой вибрацией. В итоге получается кое-что, чем можно гордиться: сравнительные измерения с двумя стеклянными резонаторами позволили ученым продемонстрировать частотную стабильность 1х10^-16 для лазера, стабилизированного кремниевым резонатором.

Это позволило им удалить важную преграду на пути развития еще более совершенных атомных оптических часов, поскольку стабильность используемых лазеров является критической точкой. «Маятник» или качающаяся система таких часов — узкая линия оптической абсорбции атома или иона, переходная частота которого считывается лазером. Ширина линий этих переходов обычно составляет несколько миллигерц, что недостижимо со стеклянными резонаторами вследствие ограниченной стабильности их длины.

Теперь фантастика стала реальностью. Лазер со стабилизированным кремниевым резонатором достигает ширины линии менее 40 миллигерц и поэтому способствует движению в новое измерение развития оптических атомных часов. Также работа может оказаться полезной для точности оптической спектроскопии.

„В будущем нам еще есть куда улучшать оптические зеркала, тепловые помехи которых ограничивают достижимую стабильность“, пояснил физик Кристиан Хагманн. Поэтому в будущем ученые намерены достичь еще более низких температур и использовать инновационные отражающие структуры, чтобы улучшить стабильность частоты на другой порядок величин.

17.09.2012