Гребёнки, GPS и шепчущие галереи

Мы не задумываясь пользуемся GPS-приемниками, читаем в интернете про достижения фундаментальной физики и астрофизики. Но далеко не всем известно, что многие из изобретений и открытий в этих областях невозможны без ряда точнейших измерений и устранения даже самых небольших помех. Так, например, GPS это не только спутники и электроника, это, между прочим, и атомные часы, отстающие на секунду в миллионы лет. И чем такое отставание меньше, тем с большей точностью определяется местоположение объекта на земле.

Среди 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 СВЧ или радиочастоту. Оптические гребёнки также позволяют приподнять точность многих научно-исследовательских методов, в частности прецизионной лазерной спектроскопии¹.(все сноски см. внизу статьи)

Весьма перспективными в этом смысле считаются так называемые керровские² гребёнки.

«Классические гребёнки генерируют с помощью громоздких систем, основанных на фемтосекундных лазерах, а здесь идея состоит в том, чтобы делать это в очень компактном микрорезонаторе с модами шепчущей галереи»³, – говорит профессор кафедры физики колебаний физического факультета МГУ Михаил Городецкий, который работает над проблемой шумов в керровских гребёнках. Интересно, что оптические микрорезонаторы шепчущей галереи были впервые предложены на физическом факультете МГУ в 1989 году.

Вот так выгляди гребенка ("радуга" на заднем плане) полученная классическим методом с помощью фемтосекундных лазеров. Фото из лаборатории Нобелевского лауреата Т. Хэнша. На самом деле эта радуга не сплошная как может показаться. Просто она состоит из множества близких друг к другу отдельных "кусочков" излучения, спектральных линий (см схему ниже)

Эта гребенка представлена совсем схематично (по оси X частота света, по оси Y - его интенсивность), линий конечно должно быть больше и они гуще. Но представление  о себе даёт.

Если бы керровские гребёнки можно было использовать в телекоммуникациях, калибровке спектрометров астрофизического назначения и прочих высокотехнологичных приложениях, то точность их работы бы повысилась, а стоимость – упала. Однако пока это невозможно. Проблема в очень сильных помехах (шумах), возникающих в микрорезонаторах⁴. Шумы, конечно, пытаются устранять, но до недавних пор даже не была понятна их причина. Ее в своей совместной работе смогли выяснить ученые из России, Германии и Швейцарии; не так давно результаты работы опубликованы в авторитетном журнале Nature Photonics (Nature Photonics, 6, 480-487 (212)). «Нам удалось показать, что причина – в нелинейных процессах генерации, а не скажем, в термодинамических шумах. То есть, помехи не вызваны какими-то фундаментальными ограничениями, и с ними можно бороться», – комментирует Городецкий, один из соавторов работы.

Михаилу Городецкому удалось построить теоретическую модель исследуемых керровских гребёнок, с которой в дальнейшем совпали экспериментальные результаты его коллег. Его идея применить в эксперименте волоконный кольцевой резонатор позволила существенно улучшить калибровку системы. А его численная модель далеко продвинула исследование в плане интерпретации экспериментальных результатов и вывела работу на новый уровень. «Удалось предсказать и затем экспериментально подтвердить генерацию солитонов (уединенных локализованных волн. – Прим. авт.) в этой системе, что очень важно для получения фемтосекундных импульсов и стабильных гребёнок», – говорит Городецкий. Описание модели и результаты эксперимента планируется опубликовать в новой статье, направленной уже в Nature. В статье будет представлен способ генерации широких гребнок с низким уровнем шумов, а также еще один экспериментальный результат, связанный с фемтосекундными импульсами, о котором, по словам ученого, «все давно мечтали»⁵.

¹ За работы в этой области Джон Холл и Теодор Хэнш в 2005 году удостоены Нобелевской премии по физике 
² Получаются в материалах, где проявляется эффект Керра – изменение показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности электрического поля 
³ Шепчущая галерея – помещение, обладающее следующей особенностью: шепот в нем хорошо распространяется вдоль стен, но не слышен в остальной части помещения. Шепот, произнесенный вдоль стены, вернется к вам через некоторое время с противоположной стороны, как будто кто-то произнес его, стоя у вас за спиной. Физическая интерпретация эффекта дана Рэлеем в XIX веке. Аналогичный эффект возможен и для электромагнитных волн при их распространении вдоль изогнутой отражающей поверхности 

Именно в такого типа круглых залах (в данном случае это нечто вроде круглого балкона) обычно можно наблюдать (или лучше сказать, услышать) эффект шепчущей галереи

⁴ Помехи возникают, если ширина спектра керровской гребёнки от ее самой высокой частоты до самой низкой частоты достаточно велика (именно эти гребёнки наиболее интересны для научных и практических приложений) 
⁵ До публикации статьи в Nature об этих результатах можно прочитать по ссылке http://arxiv.org/abs/1211.0733

Оригинал статьи опубликован на сайте www.msu.ru