Лазерный мир

Германские ученые создали сверхточные световые часы, приспособленные для работы на спутниках GPS, и успешно испытали их работу на земной орбите, что позволит в ближайшее время улучшить точность определения положения на карте в сотни и тысячи раз, говорится в статье, опубликованной в журнале Optica.

«Наше устройство представляет собой краеугольный камень и платформу для создания всех будущих сверхточных космических часов и систем измерения расстояния. Оптические часы, созданные нами, работали так же хорошо в космосе, как и на Земле, что показывает, что данная технология и наши инженерные навыки справились с поставленной перед ними задачей», — заявил Маттиас Лезиус (Matthias Lezius) из компании Menlo Systems в Мартинсриде (Германия).

В атомных часах два иона находятся в электромагнитной «ловушке» на расстоянии нескольких микрометров друг от друга. Ученые «стреляют» по ионам из лазера, и взаимодействие атомов позволяет выделять два состояния — условные ноль и единицу. Колебания между этими состояниями и есть отсчет времени. Подобные конструкции позволяют достичь невероятной точности измерения времени — современные атомные часы начинают запаздывать или спешить на секунду лишь через миллиарды лет.

Как рассказывает Лезиус, самые надежные и точные атомные часы занимают очень много места и крайне капризно переносят различные колебания и возмущения, что не позволяет отправлять их в космос на борту спутников связи и зондов GPS, Galileo, ГЛОНАСС и других систем навигации. Поэтому инженерам, разрабатывающим подобные спутники, приходится использовать относительно простые атомные часы, считающие время по колебаниям атома цезия в микроволновом диапазоне.

Так как микроволновое излучение обладает относительно низкими частотами, предельная точность подобных часов сильно ограничена. Лезиус и его коллеги много лет работали над тем, чтобы заменить микроволновые лазеры в таких часах на обычные лазеры, излучающие фотоны видимого света. При облучении такими лазерами атомы или ионы могут колебаться в сотни тысяч раз быстрее, чем в современных микроволновых атомных часах, что позволяет в сотни и тысячи раз повысить их точность.

Проблема заключается в том, что для работы таких часов необходимо, чтобы спектр лазера был похож на своеобразную гребенку. Этого можно добиться на Земле, используя очень дорогую и громоздкую систему из лазеров, похожую на коробку размерами метр на метр. Естественно, что отправка такого лазера в космос – крайне сложная и фактически неподъемная задача.

Только сейчас ученые, в том числе российские физики, начали создавать миниатюрные подобия подобных систем, используя метаматериалы и плазмоны, однако они пока не готовы для практического применения.

Немецким ученым удалось заметно уменьшить размеры этой лазерной «коробки», сжав ее до размеров в 22 на 14 сантиметров и уменьшив массу до 22 килограмм. Этого удалось добиться, используя особое оптоволокно, разработанное ими специально для этой цели, и набор миниатюрных лазеров, способных испускать импульсы длиной в трилиллиардные доли секунды.

Объединив два таких лазера с атомными часами на базе рубидия и цезия, ученые отправили их в космос на борту ракет TEXUS-51 и TEXUS-53, запущенных на околоземную орбиту в апреле прошлого года и январе этого года с космодрома в Швеции. Опыты на орбите показали, что данные часы действительно работают в космосе и что их точность превысит аналогичные показатели для «простых» атомных часов в сотни и тысячи раз после улучшения их конструкции.

В следующем году немецкие физики планируют отправить улучшенную версию этих часов в космос, которые на этот раз будут работать в условиях полного вакуума. Подобные тесты, как объясняет Лезиус, необходимы для проверки того, смогут ли «световые» часы работать в условиях полного вакуума и постоянной бомбардировки космическими лучами и заряженными частицами.

Space-borne frequency comb metrology // Optica Vol. 3, Issue 12, pp. 1381-1387 (2016) — https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-3-12-1381&id=354726

Источник: https://ria.ru/science/20161118/1481642806.html