Заморозили кремний до -256°C и победили дрожь лазера. Космические корабли больше не собьются с курса из-за шумной оптики

Лазеры давно стали основой для точной науки и приборов. Они нужны оптическим атомным часам, измерениям в интерферометрах и многим экспериментам в атомной, молекулярной и оптической физике. В этих задачах важнее всего не мощность луча, а стабильность: насколько ровно лазер держит частоту и фазу и насколько слабо он реагирует на малейшие изменения температуры и окружающей среды.

Самый распространённый способ стабилизации устроен просто. Два зеркала ставят друг напротив друга, получается оптический резонатор Фабри–Перо. Свет внутри многократно отражается, а резонатор «отбирает» узкие частоты, на которых он работает лучше всего. Если привязать лазер к одному из таких резонансов, частота перестаёт свободно плавать и становится заметно предсказуемее.

Но на предельных уровнях точности всплывают детали, которые в обычной оптике почти не мешают. Часто ограничителем становится не электроника и не механика установки, а сами зеркала, точнее их отражающие покрытия. В стандартных резонаторах используют диэлектрические покрытия: тонкие слои, которые повышают отражательность. У этих плёнок есть механические потери, а тепловые микроколебания превращаются в шум, который затем проявляется как дрожание фазы и частоты. Лазер, привязанный к такой полости, неизбежно унаследует этот предел, даже если всё остальное настроено идеально.

Исследователи из JILA и немецкого PTB решили ударить по этому слабому месту и заменить тип покрытия зеркал. В новой работе они использовали кристаллические покрытия, которые обычно дают меньшие механические потери, чем привычные аморфные плёнки. В качестве материала выбрали AlGaAs, алюминий-галлий-арсенид: кристаллический полупроводник, хорошо известный в оптоэлектронике. Здесь он выступает как материал для отражающего слоя зеркала.

Зеркала с таким покрытием поставили в компактный кремниевый резонатор длиной около 6 сантиметров и охладили установку до 17 кельвинов. Такой холод нужен не для эффектной цифры. У кремния в этом диапазоне можно добиться режима, когда тепловое расширение почти исчезает, то есть длина резонатора меньше «ползёт» из-за микроколебаний температуры. Для стабилизации это ключевой момент: чем постояннее геометрия полости, тем меньше дрейфует опорная частота.

После сборки лазер зафиксировали на резонансе этой полости и оценили стабильность несколькими независимыми способами. Для сравнения использовали другую стабильную полость и оптические атомные часы на стронции в лаборатории. Такая проверка нужна, чтобы отделить реальное улучшение в резонаторе и зеркалах от возможных эффектов измерительной схемы.

Результат получился заметным. По данным авторов, лазер на полости с кристаллическими покрытиями оказался примерно в 4 раза стабильнее, чем решения на сопоставимых резонаторах с традиционными диэлектрическими покрытиями. Для ультрастабильных лазеров это серьёзный выигрыш: на этом уровне любое снижение шума сразу расширяет возможности оптических часов и точной интерферометрии.

У этой работы есть ещё один важный контекст. Кристаллические зеркала давно считались перспективной альтернативой, но у них оставались проблемные вопросы. Ранее у таких покрытий наблюдали дополнительные источники шума, в том числе эффекты, связанные с двулучепреломлением. В новой системе исследователи отмечают, что природу части «лишнего» шума ещё предстоит понять, но при этом показывают явное преимущество уже на современном предельном уровне. Теперь задача выглядит практично: разобраться в источнике дополнительного шума и довести качество покрытия дальше.

Авторы также смотрят на стабильность не только на коротких интервалах, но и на длинной дистанции. В их данных есть многолетние наблюдения дрейфа частоты у криогенных кремниевых резонаторов. Для применения это критично: даже очень стабильная полость со временем может медленно менять параметры из-за внутренних напряжений и старения материалов. Чем лучше понятны эти процессы, тем проще строить системы, которые держат точность годами, а не только в красивом эксперименте.

В ближайшей перспективе такие лазеры усиливают технологии, которые уже завязаны на предельную стабильность: оптические часы нового поколения, прецизионную интерферометрию и навигационные системы, где качество опорного сигнала напрямую определяет точность. Команда говорит, что уже работает над следующей версией оптической полости, чтобы поднять планку ещё выше, и параллельно рассматривает применения в более широких задачах, включая интерферометрию в космосе, связь и навигацию. Также они планируют продолжать сотрудничество с разработчиками кристаллических покрытий, чтобы улучшать качество зеркал и дальше снижать шум.