Лазер, о котором идёт речь, — это не тонкий луч, а целая беговая дорожка для света. Внутри оптоволокна бегут два сверхкоротких импульса: один по часовой стрелке, другой против. Каждый импульс — одиночная вспышка длительностью в миллиардные доли секунды. Они не мешают друг другу, но встречаются в конце круга, как два бегуна, которые стартовали одновременно с разных концов стадиона.

Встречаясь, импульсы интерферируют — их гребни и впадины складываются, и получается узор, в котором зашифрован спектр газа. Этот узор похож на отпечаток пальца: у каждого газа он свой. Чтобы узор был чётким, лазер настраивают так, чтобы спектр импульсов был широким и плоским, как стол, — тогда в нём много цветов, и каждый цвет по-своему реагирует на молекулы.

В этой работе учёные сделали лазер полностью из оптоволокна, без громоздких зеркал. Они добились, чтобы импульсы в обоих направлениях были сильными: 2,7 наноджоуля в одну сторону и 1,5 наноджоуля в другую. Наноджоуль — это миллиардная часть джоуля; примерно столько энергии тратит муравей, поднимая песчинку. Но для лазерной вспышки это много, потому что вся энергия собрана в промежуток времени короче, чем один такт компьютерного процессора.

Скорость измерения — отдельный повод для удивления. Обычно спектрометр сканирует частоты по очереди, как читатель, который водит пальцем по строкам. Здесь же лазер сам быстро меняет разницу в скорости двух импульсов, и они пробегают по всем нужным частотам за один проход. В итоге система снимает спектр шириной 16 нанометров за две тысячные секунды — в сто раз быстрее, чем раньше.

Но есть и подводный камень: при таком быстром сканировании импульсы могут рассинхронизироваться, как два бегуна, один из которых споткнулся. Чтобы этого избежать, учёные добавили алгоритм, который следит за фазой импульсов и поправляет её. Благодаря этому лазер сохраняет когерентность — способность импульсов давать чёткий узор — в течение полсекунды. Это позволяет различать линии в спектре, отстоящие друг от друга всего на 7,2 гигагерца, то есть на семь миллиардов колебаний в секунду.

Такой лазер — готовый инструмент для спектроскопии двойной гребёнки. Этот метод напоминает два гребня с зубьями разной частоты: когда их накладываешь, возникает медленное биение, которое легко измерить. Раньше для этого требовались два отдельных лазера, тщательно синхронизированных, как два музыканта, играющих в унисон. Теперь один лазер делает всё сам, и это резко удешевляет и упрощает прибор.

В перспективе такие лазеры могут стать основой портативных спектрометров, которые будут работать прямо в поле, на заводе или в больнице. Вместо того чтобы везти пробу в лабораторию, достаточно будет навести прибор на газ — и через мгновение получить его состав. Это похоже на то, как термометр мгновенно показывает температуру, только вместо градусов — список молекул.