Физики из Германии и США создали лазер с рекордно малой шириной спектральной линии — менее 10 миллигерц. Такой излучатель может улучшить точность оптических атомных часов, спектроскопии и других научных инструментов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, также доступен ее препринт на сайте Arxiv.org.
Обычные источники света излучают целый спектр цветов. Лазеры отличаются от них своей монохроматичностью. Идеальный лазер должен иметь одну частоту (или длину волны) излучения. Существующие лазеры считаются монохроматическими источниками излучения, то есть испускают излучение с абсолютно точной частотой, но на самом деле имеют небольшую ширину спектральной линии. У хороших широко используемых лазеров спектральная ширина может измеряться килогерцами. Поскольку частота видимого света измеряется сотнями терагерц, такой ширины вполне достаточно для большинства применений. Но некоторые научные измерения нуждаются в как можно более точных лазерных излучателях.
Разработанная учеными лазерная установка, испускающая свет с длиной волны 1542 нанометра, состояла из резонатора Фабри — Перо, выполненного из монокристаллического кремния. Благодаря такому выбору материала резонатор меньше подвержен тепловому шуму, который может снижать точность излучения.
Поскольку длина волны излучения зависит от расстояния между зеркальными поверхностями резонатора, ученые постарались убрать все возможные помехи: тепловые, вибрации и другие. Установка была специальным образом защищена от вибраций и звука. Помимо этого, исследователи постарались минимизировать влияние теплового шума, причем не только с помощью специального материала резонатора, но и за счет охлаждения установки до примерно -150 градусов Цельсия.
В совокупности, все эти меры позволили добиться того, что колебания длины резонатора не превышали десятков аттометров, то есть примерно в десять миллионов раз меньше диаметра атома водорода, а спектральная ширина линии оказалась рекордно низкой — около 8 тысячных герца. Это составляет около 4×10-17 от несущей частоты в 194 терагерца. Когерентность лазера оказалась такой, что испускаемый им свет пройдет практически десятикратное расстояние между Землей и Луной, прежде чем его колебания рассинхронизируется, то есть станут некогерентными. Ученые надеются, что дальнейшее совершенствование технологии позволит снизить ширину линии ниже 1 миллигерца.
Недавно были проведены первые испытания мощнейшего лазера на свободных электронах. Общая длина этой установки составляет почти три с половиной километра. Одним из применений такого лазера станет «съемка» изменений молекул в ходе химических реакций. Однако чаще лазеры используются не в научных целях. На днях Армия США провела испытания первого вертолета, вооруженного боевым лазером.
Григорий Копиев