Физики создали рекордно точный и стабильный лазер

Помимо промышленных приложений, развитие лазерных технологий важно для фундаментальной науки. В отличие от обычных источников света, лазеры должны испускать монохроматическое и когерентное (с постоянной разницей фаз) излучение с точной частотой. Последнее условие определяет достоверность физических измерений. В частности, фемтосекундные лазеры используются в атомных часах: их спектр расширяют до оптических гребенок, частота которых сравнивается с показателем перехода атома цезия (поворота спина наиболее удаленного электрона относительно спина ядра). Ширина таких лазеров измеряется миллигерцами, у видимого излучения она достигает сотен терагерц.

Самые передовые из доступных лазеров могут иметь ширину спектральной линии до нескольких килогерц. Тем не менее, для некоторых экспериментов этого недостаточно. В новой работе специалисты из Физико-технического федерального института и других научных учреждений представили лазерную установку с рекордно малой шириной спектра и высокой когерентностью. Основу генератора составляет резонатор Фабри — Перо, состоящий из монокристаллического кремния (выполнял функцию зеркала). Выбор материала был обусловлен возможностью снизить тепловой шум без потери точности. С этой целью система также охлаждалась до 124 кельвинов (-149 градусов Цельсия).

Кроме того, поскольку длину волны излучения определяло расстояние между отражающими поверхностями резонатора, ученые стремились изолировать установку от всех типов помех, включая вибрации и звук. Лазер был рассчитан на испускание света с длиной волны 1542 нанометра (инфракрасное излучение). По словам авторов, описанная конструкция позволяла добиться ультрастабильной пространственной когерентности: электрические поля в пучке колебались с шагом менее нескольких десятков аттометров (1×10^-9 нанометра) — диаметр атома водорода превышает этот показатель в десять миллионов раз. При этом ширина спектра составила всего восемь миллигерц, или 4×10^-17 несущей частоты лазера.

Стабильность излучения представленной системы настолько высока, что генерируемый ей свет может преодолеть практически десятикратное расстояние между Луной и Землей прежде, чем рассинхронизирется. Время когерентности установки они оценили в 11–55 секунд. Подчеркивается, что оптимизация сконструированного лазера едва ли позволит значительно увеличить показатель, поскольку последний приближается к фундаментальному пределу. В качесте альтернативы исследователи рассматривают дополнительное снижение теплового шума. Сделать это возможно, в частности, с помощью покрытия из арсенида алюминия-галлия и охлаждения до четырех кельвинов (-269 градусов Цельсия).

Подробности работы представлены в журнале Physical Review Letters и на сервере препринтов arXiv.org.

Недавно международная группа физиков также поставила рекорд лазерного усиления. Разработанная установка способна увеличивать энергию импульсов в сто миллионов раз.