2013: Научные достижения ученых физфака МГУ
"Бесшумные гребенки для GPS, связи, астрофизики и др."
Ученые физического факультета МГУ совместно с европейскими коллегами выяснили, из-за чего возникает проблема шумов, которая мешает сделать GPS-системы более точными и развить важные разделы телекоммуникаций и астрофизики.
Многие из изобретений и открытий в фундаментальной физике или астрофизике невозможны без ряда точнейших измерений и устранения даже самых небольших помех GPS-приемников. Важной составляющей GPS-системы наравне со спутниками и собственно приемником является привязка к точным атомным часам. Но и у этих часов накапливаются погрешности — за миллионы лет их отставание от реального времени может достичь одной секунды. А ведь чем такое отставание меньше, тем с большей точностью определяется местоположение объекта на земле.
Сделать такие часы более точными можно, применив так называемые оптические гребёнки — излучение, состоящее из очень большого числа отдельных спектральных линий, равноотстоящих друг от друга на фиксированную СВЧ или радиочастоту. Оптические гребёнки позволяют также увеличить точность многих научно-исследовательских методов, в частности прецизионной лазерной спектроскопии.
«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», — поясняет профессор кафедры физики колебаний физического факультета МГУ Михаил Городецкий, который работает над проблемой шумов в керровских гребёнках (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). Интересно, что оптические микрорезонаторы шепчущей галереи были впервые предложены на физическом факультете МГУ в 1989 году в группе член-корр. РАН В.Б.Брагинского. В 2007 г. было обнаружено, что в таких микрорезонаторах за счет эффектов каскадной гиперпараметрической генерации и четырехволнового смешения возможно формирование так называемых керровских оптических гребенок (излучения с широким плотным эквидистантным линейчатым спектром) при одночастотной накачке. Подобные гребенки произвели революцию в прецизионных измерениях и были отмечены Нобелевской премией 2005 года (Т.Хэнш, Дж.Холл), требуют, однако, громоздкого оборудования. Использование генераторов гребенок на основе микрорезонаторов открывает возможность создания компактных малошумящих стабильных СВЧ генераторов при выделении на фотодетекторе сигнала биений, частота которого соответствует расстоянию между соседними фундаментальными модами резонатора и равна обратному времени обхода светом резонатора.
Если бы керровские гребёнки можно было использовать в телекоммуникациях, калибровке спектрометров астрофизического назначения и прочих высокотехнологичных приложениях, то точность их работы повысилась бы, а стоимость упала. Однако пока это невозможно. Проблема в очень сильных помехах (шумах), возникающих в микрорезонаторах. Помехи возникают, если ширина спектра керровской гребёнки от ее самой высокой частоты до самой низкой достаточно велика, а именно такие гребёнки наиболее интересны для научных и практических приложений. Ученые пытаются устранить шумы, но до недавних пор не была понятна даже их причина.
Ее в своей совместной работе смогли выяснить ученые из России, Германии и Швейцарии; не так давно результаты этой работы опубликованы в авторитетном журнале Nature Photonics. «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) в этой системе, что очень важно для получения фемтосекундных импульсов и стабильных гребёнок», — говорит Городецкий.
Опубликовано в новостях на сайте www.msu.ru и в газета.ru (Иван Охапкин, 27.03.2013)