Лазерный мир

В Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) ведутся работы, нацеленные на совершенствование одного из главных инструментов прецизионной физики — лазера. Лазерное излучение имеет определенную длину волны, и, фокусируя его на изучаемый объект, можно изучать его спектр поглощения.

Однако лазеры подвержены разного рода воздействиям, и длина волны может непредсказуемо изменяться в некоторых пределах. Для повышения точности экспериментов необходимо поддерживать ее как можно более постоянной.

Это можно делать при помощи интерферометра Фабри—Перо — прибора, представляющего собой пару зеркал, установленных друг напротив друга. Особенным свойством такой системы зеркал является то, что она становится прозрачной для лазера, если расстояние между зеркалами кратно половине длины волны излучения. Если пару зеркал специальным образом закрепить друг напротив друга и хорошо защитить от влияния внешних воздействий — от колебаний температуры и вибраций, такой интерферометр можно будет использовать в качестве эталона длины волны. Осуществив автоматическую подстройку длины волны излучения к длине интерферометра, то есть поддерживая интерферометр прозрачным для лазера, можно уменьшить колебания длины волны лазера более чем в миллион раз.

Для этого необходимо выбрать форму и материал интерферометра так, чтобы его длина менялась как можно меньше. Ученые ФИАН работают над созданием лазера, длина волны которого стабилизируется по интерферометру из кремния, который обладает специфическими свойствами. Используется чистый кремний, вырезанный из единого кристалла, как для процессоров в компьютерах. На первый взгляд кремний кажется непрозрачным черным блестящим материалом, но это только в видимом свете. В области инфракрасного излучения, где работают лазеры для передачи интернет-трафика, кремний оказывается так же прозрачен, как стекло.

Схема эксперимента по стабилизации длины волны лазера: часть излучение лазера, прошедшая через интерферометр Фабри—Перо, регистрируется фотодетектором, длина волны подстраивается в зависимости от результата Фото: ФИАН им. П.Н. Лебедева

Обычным материалам свойственно расширяться при нагревании. Так же ведет себя и кремний при температуре выше минус 149 градусов Цельсия. Однако в области более низких температур он, наоборот, сжимается при нагревании. Если зафиксировать температуру интерферометра на границе этих областей, в точке минус 149 градусов, то длина удивительным образом окажется устойчива к колебаниям температуры. Другое и даже более важное свойство кремния — чрезвычайно низкий уровень теплового шума, то есть случайные колебания зеркал интерферометра, свойственные всем нагретым телам, имеющим температуру выше абсолютного нуля (минус 273 градуса), будут чрезвычайно малы.

Тепловые шумы похожи на броуновское движение: любопытно, что все окружающие нас предметы на самом деле «дышат», атомы на поверхности все время дрожат и лазеры позволяют это наблюдать. Эти и ряд других новых технологий позволят создать лазер с шириной линии излучения меньше чем 1 герц, что соответствует абсолютной нестабильности длины интерферометра менее размера протона. Для сравнения — ширина всего спектра видимого излучения составляет 400 трлн герц.

Интересно отметить, что именно кремниевые зеркала будут положены в основу следующего поколения детекторов гравитационных волн.

Ультрастабильные лазеры, разрабатываемые в ФИАН, станут частью новых точнейших оптических часов, которые имеют множество приложений: создание государственного эталона времени в Национальном метрологическом институте России, повышение точности спутниковой навигации, измерение дрейфа физических констант, поиск темной материи и другие исследования Вселенной — от квантовых масштабов до космических.

Источник: https://www.kommersant.ru/doc/4316370