«Наука в Сибири» № 14 (2599) 5 апреля 2007 г. НОВЫЙ ЛАЗЕР НА СТАРОМ СТОЛЕ В специальном павильоне Института лазерной физики СО РАН, кажется, ничего не изменилось. Разве что елочка подросла перед входом в это небольшое здание, оттеняя мемориальный горельеф на стене — скульптурный портрет академика В. П. Чеботаева (1938-1992 гг.). В далекие восьмидесятые годы физики-лазерщики прославились на весь мир: именно в Сибирском отделении впервые в мире были построены большие оптические часы. Галина Шпак Довольно внушительное устройство основывалось на оптическом стандарте частоты — гелий-неоновом лазере с метановой ячейкой (Не-Ne/CH4-л), который, по крайней мере, в те годы был самым стабильным источником электромагнитных волн в оптическом диапазоне. Создание высокостабильных устройств — традиционная задача отдела лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения, которым руководит академик С. Багаев, директор ИЛФ СО РАН. И даже сейчас, в связи с реорганизацией, преобразованием структуры института, разделением самого крупного отдела на лаборатории, слагаемое в принципе не изменится — основная научная идея всех объединяет. Правда, сотрудники группы доктора физико-математических наук В. Клементьева да и он сам еще не совсем свыклись с новым статусом: лаборатория оптических часов. Главное — сильная команда, состоящая в основном молодых кандидатов наук, сохранилась, все на своих местах, работают. Значит, все в порядке, считает заведующий лабораторией. В разговоре выяснилось, что Василий Михайлович Клементьев — профессор Новосибирского технического университета, читает курс лазерной метрологии. И сразу ясно стало, что определение «лазерная» — это синоним образцовых средств измерений. И первые оптические часы (можно сказать, «сибирские») позволили измерить оптические частоты, которые никогда никем не измерялись в силу того, что они «очень высокочастотные», как выразился профессор Клементьев: «Не было таких приемников, которые были бы способны такую частоту измерять…» — Оптические часы — это устройство, которое связывает оптический диапазон с радиодиапазоном, освоенным давно и основательно. А оптический еще находится в стадии освоения. Знаменитые большие часы весом в 12 тонн давно законсервированы. Пятый год в лабораторном зале действуют более совершенные и компактные фемтосекундные оптические часы. Если старая конструкция строилась на принципах «каскада лазеров» — шесть синхронизированных лазеров последовательно и два лазера накачки, то конфигурация новых часов гораздо проще. — Часы состоят из оптического стандарта частоты и собственно фемтосекундного лазера в той же системе, — поясняет В. Клементьев. — Два лазера, причем малоразмерных. В зале лаборатории оптических часов профессор В. Клементьев остановился как раз у стола с малогабаритным лазером. Оптические часы можно использовать как эталон частоты, а также в качестве синтезатора частот. Допустим, с помощью этих часов можно синхронизировать любые другие генераторы, начиная от СВЧ и до оптических. И они становятся высокостабильными. Василий Михайлович пригласил спуститься на первый этаж, в лабораторный зал. В помещении было сумрачно и тесно. Включили верхний свет. Узкие проходы между конструкциями. Огромный чугунный стол с различными приборами. На этой основательной плите когда-то «тикали» первые оптические часы. Впрочем, стол используется — на столе лежала какая-то небольшая коробка с оптическими элементами внутри. «Создаем новый лазер», — сказал Василий Михайлович. Рядом в отсеке светилось зеленым. Подавали сигнал новые оптические часы фемтосекундного титан-сапфирового лазера. Кристалл сапфира, по-моему, голубой или синий, а светится зеленым. Оказывается, это светится оптическая накачка. Мне объясняют, что раньше для этой цели использовался аргоновый лазер, а сейчас в качестве накачки работает полупроводниковый. Пришлось купить «на стороне» — увы, в России такие пока не производят. Сергей Кузнецов занимается настройкой новых оптических часов. На установке чем-то неспешно занимался Сергей Кузнецов. К нему подошел еще один физик — Сергей Чепуров и, откуда ни возьмись, другие. Действительно, что-то интересное происходит. Новый лазер на старом столе? Сергей Чепуров. Теперь начался конкретный разговор. Институт впервые получил грант Международного научно-технического центра. «Это пул иностранных инвесторов, — расшифровал Сергей Чепуров, — в который входят США, страны Западной Европы и Юго-Восточной Азии. В России центр занимается конверсией „оружейных“ ученых». — Непосредственно наш проект направлен на создание стабильного фемтосекундного лазера, который будет генератором стабильных оптических частот. Если коротко, проект так и называется — «Генератор оптических частот на основе фемтосекундного форстеритового лазера», т.е. лазера на кристалле форстерита. Иными словами, мы строим новые лазеры, которые не требуют внешних источников стабильного излучения. Лазер стабилизирован по собственному излучению. Получится абсолютно замкнутая система, имеющая на выходе стабильные оптические частоты. На данный момент мы занимаемся сборкой лабораторного макета. По габаритам наш лазер можно сравнить с размером средней книги, примерно 20 на 30 см. Для лазера, который выдает тысячи оптических частот, это как тысяча лазеров в одной упаковке. Можно сделать еще меньше. Например, в институте разрабатываются малогабаритные волоконные лазеры, мы участвуем в таких проектах с другими институтами СО РАН. — Как связан ваш проект с новыми оптическими часами? — Напрямую. На основе небольшого компактного лазера можно сделать оптические часы. Любые часы как устроены? Есть какой-то задающий генератор и есть часовой механизм, который на циферблате отражает время суток. Так вот, фемтосекундный лазер играет роль часового механизма. И соответственно, чем стабильней часовой механизм, тем лучше. Такой лазер может использоваться с любым стандартом частоты для создания оптических часов. — И что же? Вы можете заменить «часовой механизм» в новых оптических часах, и это уже будет другая вещь? — Будет более компактная система, но не менее стабильная. — Что же кроется за компактностью и стабильностью? — А это как раз особенность фемтосекундных лазеров, которые излучают очень короткие импульсы (около 40 фемтосекунд или 40×10-15 с). Если по времени это рассматривается как последовательность импульсов, то по частоте выглядит как набор, густой «гребешок» частот, и любую из них можно использовать для стабилизации лазера по какому-то стандарту частоты. Словом, одним «зубчиком» мы можем зацепить за этот стандарт, и таким образом стабилизировать всю «гребенку» частот фемтосекундного лазера. Получается своего рода «линейка» для измерения частот. Допустим, на этой линейке стандарт частоты задает ноль, относительно которого можно проводить измерения. А «гребенка» фемтосекундного лазера дает набор цифр. Если использовать одночастотные лазеры, которые работали в первых, старых часах, то для измерений требовалось много лазеров. В фемтосекундных часах требуется лишь один. — На ваш маленький лазер, который лежал на старом столе, я не обратила внимания, потому что он молчал. — Вот и разница! Но даже если он заработает, вы его работы не увидите. Это инфракрасный лазер, невидимое излучение. Его преимущество в том, что он перекрывает спектральный диапазон от одного до двух микрон, включая длину волны полтора микрона. Эта часть спектра используется в современных телекоммуникационных линиях. Так что наш лазер будет довольно универсальным. Он перекрывает широкий диапазон. — Вы первые строите такой лазер? — Такие лазеры существуют, но у нас есть определенные преимущества: построить прибор на основе лазера — таких проектов еще не было. Как я уже сказал, наш лазер — это часовой механизм для оптических часов и синтезатор. — Где же ваш прибор будет использоваться? — В любых системах, где требуется высокая точность измерений. Применение разнообразное — от томографии до космических систем, например в ГЛОНАССе — Глобальной навигационной системе, о которой много говорят и пишут, — подсказывает В. Клементьев. — В ее создании участвуют десятки академических и отраслевых институтов. Молодые физики в соседнем отсеке зала оптических часов. — Наш прибор не так уж дорого стоит по меркам лазерной физики, — дополняет Сергей Чепуров. — Допустим, система с такими же параметрами и коммерчески доступная стоит порядка 200 тыс. евро. Наша значительно дешевле. — Что же вы такого революционного придумали в своем лазере? — Ничего революционного. Система состоит не только из лазера. В нее входят и другие компоненты. Электроника, специальное оптическое волокно… Хотя все вместе, возможно, и преобразуется во что-то революционное. — Кто считается автором маленького лазера? — У нас все авторство группе принадлежит, но обязанности разделены. Я, например, занимаюсь непосредственно лазером. Работаем вместе. Это Владимир Денисов, Сергей Кузнецов, Виктор Пивцов… — Как долго будете работать над проектом? — По плану у нас еще больше года. Проект только начался. В марте закончился второй квартал. Необходимое оборудование для системы приобрели. Кое-что делаем на нашем опытном производстве. Фото Е. Пузанова стр. 8