Экологически стабильный лазер излучает исключительно чистый свет: прочный лазер с узкой шириной линии может стать портативным источником света для GPS и наблюдений за гравитационными волнами

Исследователи из лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, США, описывают свой новый лазер в Optica, журнале Оптического общества для исследований с высокой ударной нагрузкой.
Даже если лазер спроектирован так, чтобы излучать только одну длину волны, изменения температуры и другие факторы окружающей среды часто приводят к появлению шума, который приводит к смещению или расширению частоты излучения света. Расширенный спектральный диапазон этого излучения известен как ширина линии лазера.

Исследователи использовали новый подход для создания волоконно-оптического лазера со спектральной шириной линии, более узкой, чем когда-либо достижимый волоконным или полупроводниковым лазером. Тот же лазер также обеспечивает метод определения и корректировки изменений температуры до 85 нанокельвина, или 85 миллиардных долей градуса.

«Сегодня лазеры с резонаторами сверхмалого расширения (ULE) демонстрируют самую узкую ширину линии и самые высокие характеристики, но они громоздки и очень чувствительны к шуму окружающей среды», – сказал Уильям Ло, первый автор статьи. «Наша цель – заменить лазеры ULE на один, который может быть портативным и не чувствителен к шуму окружающей среды."
Достижение узкой ширины линии

Исследователи разработали лазер на основе короткой петли (~ 2 метра) из оптического волокна, сконфигурированной как кольцевой резонатор. Волоконные лазеры компактны и прочны и имеют тенденцию относительно медленно реагировать на изменения окружающей среды. Исследователи объединили преимущества волокна с нелинейным оптическим эффектом, известным как рассеяние Бриллюэна, и получили лазер с шириной линии всего 20 герц. Для сравнения, другие волоконные лазеры могут достигать ширины линии от 1000 до 10 000 герц, а стандартные полупроводниковые лазеры обычно имеют ширину линии около 1 миллиона герц.

Чтобы сделать лазер чрезвычайно стабильным перед лицом долгосрочных и краткосрочных изменений окружающей среды, исследователи разработали способ сопоставления лазерного сигнала с самим собой, чтобы определять изменения температуры. Их метод очень чувствителен по сравнению с другими подходами к измерению температуры и позволяет рассчитать точный сигнал коррекции, который можно использовать для возврата лазера к длине волны излучения исходной температуры.

«Температура является важным фактором лазерного шума», – сказал Ло. "Высококачественный лазер должен иметь не только узкую ширину лазерной линии, но и способ поддерживать стабильное излучение в течение длительного времени."
Улучшение GPS
Этот новый источник света можно использовать для улучшения нового поколения оптических атомных часов, используемых для устройств с поддержкой GPS.

GPS позволяет пользователям определять свое местоположение на Земле путем триангуляции сигналов, полученных от сети спутников, содержащих современные атомные часы. Каждый спутник предоставляет отметку времени, и система вычисляет местоположение на основе относительной разницы между этими временами.

«Мы думаем, что атомные часы, основанные на нашем стабильном лазере с узкой шириной линии, могут быть использованы для более точного определения времени прибытия сигнала, что повысит точность определения местоположения сегодняшних систем GPS», – сказал Ло. "Тот факт, что наш лазер компактен, означает, что его можно использовать на борту спутников."
Лазер также может быть полезен для интерферометров, таких как те, которые используются в обсерватории гравитационных волн (LIGO), для обнаружения гравитационных волн, исходящих от сталкивающихся черных дыр или коллапсирующих звезд.

Для этого применения необходимы ультрастабильные лазеры, потому что лазерный шум не позволяет интерферометру обнаруживать очень небольшие возмущения гравитационной волны.
«В настоящее время предпринимаются попытки использовать лазеры в космосе для создания более длинных плеч интерферометра для наблюдения за гравитационными волнами», – сказал Ло. "Благодаря компактным размерам и надежности наш лазер может быть кандидатом для обнаружения гравитационных волн в космосе."

Исследователи говорят, что, хотя их новый лазер надежен, в настоящее время он представляет собой настольную систему, подходящую для лабораторного использования. В настоящее время они работают над созданием компактной упаковки для лазера и будут включать меньшие оптические компоненты для создания портативной версии, которая может быть размером с смартфон.

OKA-MOS.RU