Optyczny grzebień częstości to rodzaj promieniowania laserowego, którego widmo składa się z szeregu wielu dobrze wyznaczonych, równoodległych częstości. Optyczny grzebień częstości powstaje, kiedy w laserze impulsów z synchronicacją modów wyeliminuje się fluktuacje częstości powtarzania impulsów oraz zmiany fazy kolejnych impulsów. W 2005 roku Theodor Hänsch i John Hall otrzymali połowę nagrody Nobla z fizyki za wkład w rozwój precyzyjnej spektroskopii laserowej, w tym technikę optycznego grzebienia częstości. Wreszcie, po okresie badań, optyczny grzebień częstości wreszcie załużył na swoją nazwę. Naukowcy z Uniwersytetu Konstanz w Niemczech oraz Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) w Stanach zbudowali pierwszy optyczny grzebień częstotliwości - narzędzie do precyzyjnego mierzenia różnych częstotliwości widzialnego światła, które w zasadzie wyglądają jak grzebień.
Jak zostało opisane w wydaniu Science z 30 października: "ząb z nowego grzebienia częstości jest wystarczaąc o odzielony, że może być postrzegany jako prosty optyczny system - ludzkie oko może zobaczyć w przybliżeniu 50,000 zębów rozpiętych na widzialne kolorowe spektrum od czerwonego do niebieskiego. Grzebień częstotliwości, z tak świetnie oddzielonym, wyraźnie widocznymi zębami będzie ważnym narzędziem, szeroko stosowanym w astronomii, komunikacji oraz innych dziedzinach". Jako podstawa w nagrodzie Nobla w fizyce z 2005 roku, grzebień częstości jest teraz wspólnym mianownikiem badań laboratoriów oraz nową generacja dla zegarów atomowych. Do dni obecnych zęby grzenienia były umieszczone tak blisko siebie, że były widoczne tylko podczas użycia specjalistycznego sprzętu oraz wielkich nakładów, a mimo to światło nigdy nie wyglądało wtedy jako pasiasty wzrorzec dla ludzkiego oka.
Każdy ząb z grzebienia jest przypisany innej częstotliwości czy kolorowi (jakkolwiek ludzkie oko nie może dostrzeć bardzo małych różnic w kolorach pomiędzy leżących blisko siebie zębów). Grzebień częstości może być użyty jak linijka do mierzenia światła emitowanego przez lasery, atomy, gwiazdy i inne obiekty wymagające wyjątkowej precyzji. Inne grzebienie częstotliwości ze świetnie dzielonymi kolorami są często używanymi narzędziami, ale nowy grzebień z jeszcze bardziej widocznymi osobnymi zębami, może być efektywny w zastosowaniu podczas kalibracji astronomicznych instrumentów.
Nowy grzebień jest produkowany przez laser wielkości monety dziesięciocentowej, generujący bardzo szybkie i bardzo krótkie pulsowanie światła o duzym natężeniu zawierającym dziesiątki tysięcy różnych częstotliwości. Jak w każdym grzebieniu częstości, właściwości światła w czasie są przekładane na znaczniki czy właśnie zęby, gdzie każdy ząb reprezentuje zwiększającą się liczbę oscylacji fali świetlnej w jednostce czasu. Czym krótsze pulsy światła laseru, tym produkują szerszy zakres częstotliwości. W opisanym grzebieniu w tygodniku Science, pulsowania lasera są nawet krótsze i powtarzane od 10 do 100 razy szybciej niż w typowych grzebieniach częstości. Laser emituje 10 miliardów pulsów na sekundę, gdzie każdy puls trwa około 40 femtosekund (jednostka podwielokrotna, ułamkowa, jednostki czasu - sekundy w układzie SI, równa jednej biliardowej części sekundy) lub kwadryliony (jeden milion do potęgi czwartej, jedynka i 24 zera, chociaż materiały są amerykańskie, a więc pewnie mają na myśli jeden tysiąc do potęgi piątej, jedynka i 15 zer) sekund, produkując bardzo szerokie przerwy pomiędzy indywidualnymi zębami grzebienia.
Kolejne nietypowa cecha nowego grzebienia jest skuteczne połączenie pulsów lasera w nieliniowe włókno światłowodowe, które znacznie rozszerza zakres częstotliwości w grzebieniu. Od kiedy szczegóły niezwykle potężnego, wspomnianego lasera, zostały opublikowane w 2008 roku, naukowcy zwiększyli średnią siłę pulsu skierowaną na włókno, pozwalając grzebieniowi sięgnać do niebieskich barw po raz pierwszy, produkując spektrum poprzez zakres długości fal od 470 do 1130 nanometrów od niebieskiego do podczerwieni. 50,000 pojedynczych kolorów staje się widoczne, kiedy światło emitowane z włókna jest filtrowane przez spektrometr, wspólny laboratoryjny instrument, który działa podobnie do usprawnionego pryzmatu.
Tablica spektrum rozpiętego przez grzebień - nietypowego dla tak szybkich pulsów - pozwala na ustabilizowanie wszystkich częstotliwości, stosując techikę dostarczoną przez wspomniany Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Stanach, która bezpośrednio łączy optyczne i radiowe częstotliwości. Stabilizacja jest decydująca dla wszystkich prób i późniejszych zastosowań.
Możliwość bezpośredniego obserwowania i używania pojedynczych zębów grzebienia otwiera nowe, ważne zastosowania w astronomii, studiami nad interakcjami pomiędzy światłem a materią i pomiędzy precyzyjną kontrolą wysokoprędkościowych optycznych i mikrofalowych sygnałów w komunikacji. Naukowcy Instytutu pokazali uprzdnio, dla przykładu, że taki grzebień częstości może nawet sukrotnie ulepszyć czułość astronomicznych narzędzi, poszukujących planet podobnych budową do Ziemii. Nowy grzebień może być użyty w projektach Instytutu rozwijających techniki przetwarzania optycznego sygnału, które mogą znacznie rozszerzyć możliwości komunikacji, obserwacji, rozpoznawania wzorców optycznych, zdalny odczyt zaawansowanych technik komputerowych.
Laser został zbudowany przez albrechta Bartels w Centrum Fotoniki Stosowanej na Uniwersytecie w Konstanz. Grzebień częstości został zbudowany i zademonstrowany w laboratorium Narodowego Instytutu Standardów i Technologii przez fizyka Scotta Diddams w Boulder, Colorado.
Źródła:
Science Magazine
Wikipedia
NIST
| < Poprzednia | Następna > |
|---|