Новый лазер с устойчивостью к изменению условий окружающей среды

Новый лазер с устойчивостью к изменению условий окружающей среды

Выпуск 5(6679) от 07 марта 2019 г.
РУБРИКА: ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Исследователи Лаборатории им. Линкольна Массачусетского технологического института разработали новый лазер, способный излучать свет стабильной частоты вне зависимости от условий окружающей среды. Разработка предназначена для обнаружения гравитационных волн в космосе, усовершенствования систем GPS и устройств квантовых вычислений, а также позволяет определять и корректировать изменения температуры на уровне 85 нК. Благодаря компактным размерам, лазер потенциально может быть использован в портативных устройствах и спутниковых системах.

Сегодня наименьшей шириной линии12 и наиболее высокой производительностью обладают лазеры с ультранизким расширением, при этом их недостатки – ​большие габариты и высокая чувствительность к изменению параметров окружающей среды. Смещение или расширение частотного спектра при изменении температуры или других факторов – ​вызов для разработчиков лазеров, настроенных на излучение света одной длины волны. Целью исследования, проведенного в Лаборатории им. Линкольна Массачусетского технологического института, стало создание портативного и нечувствительного к воздействию окружающей среды устройства. В результате был создан волоконно-оптический лазер с рекордно узкой спектральной шириной линии.

Лазер разработан на основе кольцевого резонатора из оптического волокна, что позволило создать компактное и прочное устройство, слабо реагирующее на изменения окружающей среды. Как правило, волоконные лазеры характеризуются шириной линии от 1000 до 10000 Гц, полупроводниковые лазеры – ​около 1 млн Гц. Чтобы создать лазер с шириной линии всего 20 Гц, исследователи воспользовались нелинейным оптическим эффектом, известным как бриллюэновское рассеяние.

Высококачественные лазеры характеризуются не только малой шириной линии, но и способны к стабильному излучению на протяжении долгого времени. Важный фактор, влияющий на их работу, – ​температура. Чтобы добиться чрезвычайно стабильной работы лазера в условиях кратко- и долговременных изменений параметров окружающей среды, был разработан новый высокочувствительный метод сопоставления параметров лазерного сигнала для выявления температурных изменений. Метод позволяет рассчитать точный корректирующий сигнал, использование которого позволяет вернуть лазер к первоначальной длине волны излучения, которое устройство демонстрировало при исходной температуре.

Новый лазер позволяет усовершенствовать оптические атомные часы, используемые в системах GPS. Технология GPS предназначена для точного определения местоположения с помощью триангуляции сигналов, полученных от сети спутников. Расчет местоположения осуществляется на основе сравнения меток времени, предоставляемых каждым спутником. Атомные часы на основе стабильного лазера с узкой шириной линии позволяют точнее определять время поступления сигналов спутника.

Еще одно направление применения нового лазера – ​интерферометры. Лазерные интерферометрические гравитационно-волновые обсерватории служат для обнаружения гравитационных волн, исходящих от сталкивающихся черных дыр или коллапсирующих звезд. В настоящее время предпринимаются попытки создавать интерферометры с более длинными плечами, чтобы обеспечить им способность устанавливать даже самые небольшие возмущения гравитационных волн, которые не фиксируются на фоне нестабильности параметров работы современных лазеров. Разработка Лаборатории им. Линкольна Массачусетского технологического института, обладающая высокой стабильностью, надежностью и компактностью, призвана решить указанную проблему.

На данный момент была создана настольная версия лазера, подходящая для лабораторного применения. В дальнейшем на основе оптических компонентов меньшего размера планируется создать портативную версию, по габаритам сопоставимую с современными смартфонами.


Environmentally Stable Laser Emits Exceptionally Pure Light. ECN, February 2, 2019: https://www.ecnmag.com/news/2019/01/environmentally-stable-laser-emits-exceptionally-pure-light


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ