Оркестр, где каждый музыкант играет в собственном темпе, звучит кашей. Но стоит дирижеру взмахнуть палочкой, и все инструменты сливаются в слаженную мелодию, где каждая нота на своем месте. Примерно такую задачу решают физики, когда стабилизируют частоту лазера. Лазер испускает не непрерывный луч, а серию сверхкоротких импульсов — как барабанная дробь. Если промежутки между ударами «плавают», дробь превращается в шум. Стабилизация — это дирижер, который заставляет каждый импульс приходить точно вовремя.
В новой работе ученые взяли особый тип лазера — тонкодисковый, где свет усиливается, проходя через тонкий кристалл, похожий на зеркальце. Этот лазер выдает в среднем 180 ватт мощности — примерно как 18 лампочек накаливания, но собранных в импульсы длительностью в миллионные доли миллиардной секунды. Внутри лазера пиковая мощность достигает 500 мегаватт — это как мгновенная вспышка целой электростанции. Чтобы усмирить эту мощь, ученые применили хитрость: они пропустили часть света через кристалл иттрий-алюминиевого граната, который расширяет спектр, как призма разлагает белый свет на радугу. Затем два края этой радуги свели вместе, и по их интерференции — узору из ярких и темных полос — можно заметить малейшее дрожание ритма импульсов.
После такой стабилизации лазер сжимает импульсы до пиковой мощности в 0,9 гигаватта — это уже как тысяча электростанций, вспыхивающих на миг. Такой луч способен выбивать электроны из атомов благородных газов, порождая ультрафиолетовое и даже экстремальное ультрафиолетовое излучение. Это излучение, в свою очередь, можно превратить в «частотную гребенку» — набор тысяч точно отмеренных цветов, который используется в самых точных часах и спектроскопии. Раньше такие устройства были громоздкими и капризными. Теперь, благодаря компактному тонкодисковому лазеру, появляется шанс создать настольный прибор, который будет выдавать стабильную гребенку в ультрафиолете. А это — новые возможности для изучения быстрых процессов в атомах и молекулах, для точной навигации и, возможно, для будущих квантовых технологий.
Один импульс этого лазера длится примерно 200 фемтосекунд. За это время свет успевает пройти расстояние меньше толщины человеческого волоса, а сам импульс несет энергию, достаточную, чтобы испарить каплю воды.
Идея точной частотной гребенки напоминает «световые мечи» из научной фантастики, но на деле это инструмент для сверхточных измерений, который может помочь в создании квантовых компьютеров.