Когда-то лазеры считались беспроблемным решением, но теперь это уже история. С момента первой технической реализации лазера прошло более 50 лет, и мы не можем представить, как могли бы жить без них сегодня. Лазерный свет широко используется в промышленности, медицине и информационных технологиях.
Лазеры произвели настоящую революцию во многих областях исследований и метрологии — или даже сделали возможными некоторые новые области.
Одно из выдающихся свойств лазера — превосходная когерентность излучаемого света. Для исследователей это мера регулярной частоты световой волны и ширины линии.
В идеале лазерный свет имеет только одну фиксированную длину волны (или частоту). Однако на практике спектр большинства типов лазеров может достигать ширины от нескольких кГц до нескольких МГц, что недостаточно для многочисленных экспериментов, требующих высокой точности.Поэтому исследования были сосредоточены на разработке все более совершенных лазеров с большей стабильностью частоты и более узкой шириной линии. В рамках почти 10-летнего совместного проекта с американскими коллегами из JILA в Боулдере, штат Колорадо, в PTB был разработан лазер с шириной линии всего 10 мГц (0,01 Гц), тем самым установив новый мировой рекорд. «Чем меньше ширина линии лазера, тем точнее измерение частоты атома в оптических часах.
Этот новый лазер позволит нам значительно улучшить качество наших часов», — объясняет физик PTB Томас Леджеро.В дополнение к чрезвычайно малой ширине линии нового лазера, Леджеро и его коллеги с помощью измерений выяснили, что частота излучаемого лазерного света была более точной, чем когда-либо ранее. Хотя световая волна колеблется прибл.
200 триллионов раз в секунду, он выходит из синхронизации только через 11 секунд. К тому времени излучаемый идеальный волновой цуг уже достиг длины прибл. 3,3 миллиона километров.
Эта длина почти в десять раз превышает расстояние между Землей и Луной.Поскольку в мире не было другого лазера сравнимой точности, ученым, работавшим над этой коллаборацией, пришлось сразу установить две такие лазерные системы. Только сравнивая эти два лазера, можно было доказать выдающиеся свойства излучаемого света.
Сердцевиной каждого из лазеров является кремниевый резонатор Фабри-Перо длиной 21 см. Резонатор состоит из двух зеркал с высокой степенью отражения, расположенных друг напротив друга и удерживаемых на фиксированном расстоянии с помощью двойного конуса. Как и в органной трубе, длина резонатора определяет частоту волны, которая начинает колебаться, то есть световой волны внутри резонатора. Специальная электроника стабилизации гарантирует, что частота света лазера постоянно соответствует собственной частоте резонатора.
Стабильность частоты лазера — и, следовательно, его ширина — зависит только от стабильности длины резонатора Фабри-Перо.Ученым из PTB пришлось почти идеально изолировать резонатор от всех воздействий окружающей среды, которые могли изменить его длину.
Среди этих влияний — колебания температуры и давления, а также внешние механические возмущения из-за сейсмических волн или звука. Они достигли такого совершенства, что единственное оставшееся влияние — тепловое движение атомов в резонаторе. Этот «тепловой шум» соответствует броуновскому движению во всех материалах при конечной температуре и представляет собой фундаментальный предел стабильности длины твердого тела. Его степень зависит от материалов, из которых изготовлен резонатор, а также от температуры резонатора.
По этой причине ученые коллаборации изготовили резонатор из монокристаллического кремния, который охлаждали до температуры -150 ° C. Тепловой шум кремниевого тела настолько низок, что наблюдаемые флуктуации длины возникают только из-за теплового шума диэлектрических зеркальных слоев SiO2 / Ta2O5. Хотя толщина зеркальных слоев составляет всего несколько микрометров, они определяют стабильность длины резонатора.
Однако в целом длина резонатора колеблется всего в пределах 10 аттометров. Эта длина соответствует не более одной десятимиллионной диаметра атома водорода. Таким образом, результирующие изменения частоты лазера составляют менее 4? 10-17 частоты лазера.
Новые лазеры в настоящее время используются как в PTB, так и в JILA в Боулдере для дальнейшего улучшения качества оптических атомных часов и выполнения новых прецизионных измерений ультрахолодных атомов. В PTB сверхстабильный свет от этих лазеров уже распространяется через оптические волноводы и затем используется оптическими часами в Брауншвейге.
«В будущем планируется распространить этот свет также в европейской сети. Этот план позволит еще более точно сравнивать оптические часы в Брауншвейге и часы наших европейских коллег в Париже и Лондоне», — говорит Легеро.
В Боулдере существует аналогичный план по распределению лазера по оптоволоконной сети, которая соединяет JILA и различные лаборатории NIST.Ученые из этого сотрудничества видят дальнейшие возможности оптимизации.
Новые кристаллические зеркальные слои и более низкие температуры позволяют еще больше снизить мешающий тепловой шум. Тогда ширина линии может даже стать меньше 1 мГц.