Niemcy i Amerykanie zbudowali „najostrzejszy” laser w historii

Teoretycznie rzecz ujmując laser generuje światło w jednym kolorze, zatem o jednej długości fali. Jednak nikt nigdy nie stworzył takiego idealnego lasera, a urządzenia te emitują światło o pewnym zakresie długości fali. Badacze z niemieckiego Physikalish-Technische Bundesanstalt (PTB) i amerykańskiego JILA – instytutu założonego wspólnie przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii oraz University of Colorado-Boulder – zbudowali właśnie „najostrzejszy” laser na świecie. Ich urządzenie generuje światło, którego zakres nie przekracza 10 mHz.

Pierwszy laser skonstruowano ponad 50 lat temu, a obecnie nie wyobrażamy sobie świata bez tych urządzeń. Są one powszechnie stosowane w przemyśle, medycynie czy telekomunikacji.

Jedną z ważnych cech laserów jest wysoka spójność emitowanego światła. Laser idealny powinien emitować światło o jednej długości fali, ale nigdy tego nie osiągnięto. Spektrum większości laserów waha się od kilku kHz do kilku MHz, a taka szerokość linii widmowej jest zbyt duża, by przeprowadzić wiele eksperymentów czy prac wymagających dużej precyzji. Stąd dążenie ekspertów do skonstruowania lasera o jak najwęższej linii.

Niemiecko-amerykański zespół przez niemal 10 lat pracował nad udoskonaleniem lasera i w końcu się udało. W PTB stworzono urządzenie, którego szerokość linii widmowej wynosi 10 mHz (0,01 Hz). Im mniejsza szerokość linii widmowej, tym bardziej dokładny pomiar częstotliwości drgań atomów w zegarze atomowym. Nowy laser pozwoli nam na udoskonalenie naszych zegarów – mówi Thomas Legero z PTB.

Okazało się również, że osiągnięto nie tylko wyjątkowo małą szerokość linii widmowej, ale również lepszą częstotliwość światła. Mimo, że oscylacje sięgają w nim 200 biliardów razy na sekundę, to do desynchronizacji wiązki dochodzi dopiero po 11 sekundach, a to oznacza, że nowy laser pozwala na wysłanie świetnej jakości wiązki na odległość około 3,3 miliona kilometrów.

Jako, że na świecie nie istnieje drugi tak doskonały laser, konieczne było skonstruowanie dwóch urządzeń, by je porównać i potwierdzić ich właściwości. Sercem każdego z laserów jest 21-centymetrowy krzemowy rezonator Fabry'ego-Perota, który składa się z dwóch równoległych luster. Długość rezonatora determinuje długość uzyskanej fali światła. Specjalny układ stabilizujący dba o to, by częstotliwość generowanego światła była zgodna z naturalną częstotliwością rezonatora, dzięki czemu stabilność częstotliwości lasera, a więc i szerokość linii widmowej, zależą wyłącznie od zachowania stabilnej długości rezonatora.

Żeby zbudować taki laser konieczne było niemal doskonałe odizolowanie rezonatora od wszelkich wpływów z zewnątrz, które mogłyby wpłynąć na jego długość. Te niekorzystne czynniki to na przykład zmiany temperatury, ciśnienia, fale sejsmiczne czy dźwiękowe. Naukowcom udało się osiągnąć tak wysoki stopień izolacji, że na rezonator wpływa jedynie ruch atomów wewnątrz niego. Ten „szum termiczny” jest odpowiednikiem ruchów Browna i stanowi fundamentalne ograniczenie dla stabilności długości ciał stałych. Stabilność ta zależy więc tylko od materiału, z którego zbudowany jest rezonator, oraz temperatury. Dlatego też rezonator zbudowano z pojedynczego kryształu krzemu schłodzonego to temperatury -150 stopni Celsjusza. Dzięki temu długość rezonatora zmienia się jedynie w zakresie 10 attometrów, co odpowiada nie więcej niż 1/100 000 długości średnicy atomu wodoru. Pojawiające się w związku z tym zaburzenia częstotliwości światła laserowego wynoszą mniej niż 4x10^-17 całkowitej częstotliwości.

Nowe lasery już są używane w PTB i JILA do zwiększenia precyzji zegarów atomowych i dokonywania pomiarów ultrazimnych atomów. W PTB superstabilne światło jest przesyłane za pomocą falowodów do zegarów atomowych w Brunszwiku. W przyszłości planujemy przesyłać to światło przez ogólnoeuropejską sieć. To pozwoli na jeszcze bardziej precyzyjne porównania zegarów z Brunszwiku z zegarami w Paryżu i Londynie", mówi Legero. Podobne plany mają Amerykanie, którzy chcą wysyłać światło superprecyzyjego lasera z JILA do różnych laboratoriów NIST.

Twórcy nowych laserów mają nadzieję, że w przyszłości, dzięki nowym lustrom i obniżeniu temperatury, uda się zmniejszyć szum termiczny i zmniejszyć szerokość linii widmowej do poniżej 1 mHz.

laser szerokość widma