В МГУ создали микрочип для сверхточных космических часов

Пресс-служба МГУ им. М.В.Ломоносова сообщала, что ученый из «МГУ с коллегами создал микрочип, который может заменить сложную лазерную установку».

«Группа российских и швейцарских физиков создала чип, генерирующий фемтосекундные импульсы света (10^{-15 сек.} – В.П.) с особым частотным спектром под названием «оптическая гребенка», то есть делающий то, чего прежде удавалось добиться лишь с помощью больших и сложных лазерных установок.

Для получения таких гребенок использовались лазеры с синхронизацией мод. При этой методике лазер излучает свет не одной частоты, как это принято думать о лазерах, а сразу несколько «мод» – световых лучей с кратными частотами. Если эти моды синхронизировать, то есть сделать так, чтобы их фазы были жестко связаны между собой, то в результате интерференции этих мод непрерывный луч лазера превратится в последовательность импульсов со спектром «гребенки».

Космическая связь, в частности GPS-приемники, невозможны без точнейших измерений и борьбы даже с самыми небольшими помехами.

Работа спутниковых группировок синхронизируется с помощью системы единого времени, в основе которой атомные часы, отстающие на секунду в миллионы лет. Чем такое отставание меньше, тем с большей точностью определяется местоположение любых объектов в космосе и на Земле.

Один из методов сделать такие часы точнее - применение так называемых оптических гребёнок – излучения, состоящего из очень большого числа отдельных спектральных линий, равноотстоящих друг от друга на фиксированную частоту. Оптические гребёнки также позволяют приподнять точность многих научно-исследовательских методов, в частности прецизионной лазерной спектроскопии.

Но для создания такой гребенки требуется сложнейшая лазерная установка.

Так выглядит гребенка («радуга» на заднем плане) полученная классическим методом с помощью фемтосекундных лазеров.

Справка:

Оптические гребёнки частот, эксперименты с которыми принесли Теодору Хеншу и Джону Холлу Нобелевскую премию, формируются с помощью фемтосекундного лазера, работающего в режиме синхронизации мод и поддерживающего короткий световой импульс, циркулирующий внутри резонатора. При каждом проходе ослабленная копия импульса покидает резонатор через полупрозрачное зеркало. Хотя одиночные копии имеют широкий и довольно сложный спектр, их бесконечная последовательность даёт набор узких линий, причём интервал между двумя соседними спектральными компонентами гребёнки («зубьями») равняется частоте повторения импульсов. Такая гребёнка действует подобно линейке, давая возможность решать сложные метрологические и спектроскопические задачи — измерять интервалы между двумя разными оптическими частотами и определять неизвестные частоты. По сути, синтезатор оптической гребёнки может заменить собой тысячи стабильных, точно настроенных и одновременно работающих лазеров.

До сих пор все попытки миниатюризировать аппаратуру для генерации оптических гребенок, то есть сделать микрорезонатор, не давали успеха из-за возникающих сильных помех. Возникло подозрение, что это вообще невозможно из-за фундаментальных термодинамических запретов.

Однако в прошлом году ученым МГУ и их швейцарским коллегам из Швейцарской высшей технической школы Лозанны удалось доказать, что это не так. В статье, опубликованной в Nature Photonics: Nature Photonics, 6, 480–487 (212)), они показали, что причина, по которой в оптических «гребенках» возникают шумы, кроется в нелинейных гармонических шумах, избавиться от которых вполне возможно.

И вот 22 декабря в журнале Nature Photonics вышла новая публикация, где рассказывается уже о конкретных результатах.

По словам одного из авторов работы, профессора физического факультета МГУ и сотрудника Российского квантового центра в Сколково Михаила Городецкого, получены сразу три важных результата: разработан метод генерации стабильных фемтосекундных импульсов, оптических «гребенок» и СВЧ частот.

чип

В качестве микрорезонатора использован миллиметровый диск из кристалла фторида магния, в котором можно возбуждать закольцованные, т.е. движущиеся по замкнутой траектории, электромагнитные колебания, так называемые солитоны. Для генерации гребенок используется пассивный резонатор, а не лазер. Генерация очень чистого СВЧ-сигнала с низким уровнем шумов происходит за счет собственной нелинейности кристалла.

Разработанный учеными МГУ и Швейцарии микрорезонатор позволит создавать сверхкомпактные малошумящие СВЧ-генераторы для многих отраслей науки и техники. По большому счету, это вполне «тянет» на Нобелевскую премию.

Автор: Владимир Прохватилов, Президент Фонда реальной политики (Realpolitik), эксперт Академии военных наук

Добавляйте CСб в свои источники дзен