Физики из JILA усовершенствовали частотные гребенки для ЭУФ
JILA physicists give XUV combs a boost
Частотная гребенка достигла экстремального ультрафиолета
Физики из США создали оптическую гребенку частот, которая работает в диапазоне экстремального ультрафиолетового излучения (ЭУФ, XUV - extreme ultraviolet; от 121 до 10 нм). Рекламируемая, как первая практическая гребенка, для работы в этой области спектра, устройство может быть использовано для поиска крошечных изменений в постоянной тонкой структуры и других физических константах, которые могут привести к новой физике. Расческа ЭУФ также может быть использована для создания более точных атомных часов и новых методов атомной спектроскопии.
Частотные гребенки создаются в сверхбыстром режиме синхронизации мод лазера, в котором импульсы света мечутся в оптическом резонаторе. Частотный спектр результирующих импульсов от такого лазера представляет собой серию очень острых пиков, которые равномерно распределены по частоте, как и зубцы на гребенке.
Когда один "зуб" гребенки установлен на стандартную частоту - например, генерируемую атомными часами - абсолютная частота другого источника света может быть измерена с высокой точностью, сравнивая его с другими зубами на гребенке. Устройство, следовательно, предлагает исследователям способ сделать очень точные спектроскопические измерения атомов и молекул, а также метод сравнения атомных часов.
Сегодняшние гребенки работают на оптических частотах, и физики пытались распространить их в ультрафиолет и за его пределы. Одним из таких перспективных путей это процесс, называемый высоко-гармонической генерацией (high-harmonic generation - HHG), при котором интенсивный лазер ионизирует атомы газа и ускоряет электроны, заставляя их излучать высокочастотные фотоны. Процесс HHG уже был использован для создания световых импульсов ЭУФ (XUV), но не серии импульсов, достаточно высокого качества для создания практических импульсных гребенок ЭУФ.
Частый гребень
Одна из трудностей в приготовлении практических частотных гребенок ЭУФ является обеспечение того, чтобы последовательность импульсов имела высокую степень фазовой когерентности в течении по крайней мере нескольких секунд. Еще одна проблема - делать импульсы достаточно интенсивными, чтобы гребенку можно было использовать для выполнения экспериментов в атомной спектроскопии. Теперь, однако, Джун И (Jun Ye) и его коллеги из Объединенного института лаборатории астрофизики (JILA) в Боулдере, штат Колорадо, впервые демонстрируют технику, которая адресована обоим этим проблемам.
Методика использует мощный лазер для создания интенсивной инфракрасной гребенки в оптическом резонаторе. Полость заполнена газообразным ксеноном, который обеспечивает среду для HHG, причем интенсивные инфракрасные импульсы создают световые импульсы ЭУФ. Эти ЭУФ-импульсы мечутся туда и обратно в полости создавая вторую гребенку. По словам Джун И, большая заслуга в демонстрации этого принадлежит Ингмар Хартли (Ingmar Hartl) и его коллегам из Мичигана (IMRA), которые проектируют и поставляют мощные лазеры.
Криптон вместо ксенона
Гребенка была также опробована на криптоне как газе для HHG. В обоих случаях была создана частотная гребенка в диапазоне 40-120 нм, которому соответствует ЭУФ. Чтобы продемонстрировать гребенку, Джун И и его коллеги использовали ее для изучения конкретных атомных переходов в среде аргона и неона с длиной волны 82 нм и 63 нм соответственно. В обоих случаях они показали, что свет от одного зубца гребенки был достаточно интенсивным, чтобы обнаружить переходы. Патрик Джил (Patrick Gill) из Национальной физической лаборатории Великобритании описал работу, как «хороший пример того, с помощью частотной гребенки в режиме HHG сделать одно-фотонную спектроскопию в ЭУФ».
Джун И сказал
physicsworld.com
, что частотный гребень открывает двери для широкого круга новых измерений, в том числе для проверки квантовой теории одно- и двух тел в атомо-подобных системах. Гребни также могут быть использованы в следующем поколении "ядерных часов", которые основаы на ядерных переходах и "тикающих" на более высоких частотах, чем атомные часы. Другими важными приложениями могли бы стать лабораторные и астрофизические измерения вариации фундаментальных констант, таких как постоянная тонкой структуры - которые могли бы указать на физику за пределами Стандартной модели.
Тед Хэнш (Ted Hänsch) из Мюнхена (LMU) охарактеризовал работу как "важной вехой на пути к рутинному использованию частотных гребенок ЭУФ для спектроскопии». Хэнш - который разделил в 2005 году Нобелевскую премию по физике за изобретение частотной гребенки, - сказал для
physicsworld.com
: «Я уверен, что методы частотной расчески могут быть распространены на еще более короткие волны, но необходимость взаимной фазовой когерентности последовательных импульсов делает сложным достижение рентгеновского режима».