Вчені, які в рамках проєкту BACON (Boulder Atomic Clock Optical Network) займаються створенням глобальної мережі пов’язаних між собою атомних годинників, нещодавно провели випробування нової лазерної системи, що продемонструвала рекордно високі показники стабільності на сьогодні. Шляхом використання низки нововведень та інженерних рішень промінь цієї лазерної системи зміг зберегти свою стабільність, пройшовши відстань у 2.4 кілометри по відкритому повітрі. Показники стабільності довжини хвилі, фази та амплітуди цієї лазерної системи мінімум у 100 разів перевищують показники подібних систем, створених раніше, і в 1000 разів перевищують показники стабільності самих атомних годинників, які з’єднуватимуться та синхронізуватимуться за допомогою такого лазерного зв’язку.
Якщо створення глобальної мережі атомного годинника врешті-решт завершиться успішно, це дасть вченим у руки високоточний інструмент для перевірки деяких фундаментальних законів фізики, вивчення темної матерії, створення систем високоточної навігації тощо. Однією з умов створення є наявність лазерного зв’язку, здатної забезпечити синхронізацію годин, тобто. стабільність цього зв’язку повинна бути набагато вищою за стабільність атомного годинника. Щобільше, такий зв’язок має працювати в умовах відкритого повітря, що саме собою є досить складним завданням.
“Отримані нами результати показали, що додаткові пристрої стабілізації фази і амплітуди вже можуть забезпечити все необхідне для надточного порівняння тимчасових міток, що генеруються оптичним атомним годинником” – пишу дослідники, – “І це в умовах найбурхливіших і найнепередбачуваніших нижніх шарів земної атмосфери”.
Під час експериментів вчені “стріляли” променем лазера у відбивач, встановлений на відстані 1.2 кілометри, та аналізували параметри світла, що повернулося до джерела. Максимально високі показники стабільності зберігалися протягом 5 хвилин часу, після чого вимагалося додаткове коригування та перекалібрування системи. П’ять хвилин, однак, є дуже великим проміжком часу, протягом якого можна виконати тисячі та навіть мільйони високоточних вимірювань. Зазначимо, що відстань у 2.4 кілометри для проведення експерименту вибрали далеко не випадково.
Згідно з розрахунками, кількість атмосферних обурень і турбуленції на такій відстані у поверхні Землі відповідає кількості, яка буде діяти на лазерний промінь, спрямований з поверхні на низьку навколоземну орбіту, адже повітря в більш високих шарах атмосфери більш розріджене і має “спокійніший характер”. І нові методи шумоподавлення, контролю температурних розширень і регулювання положення відбивача дозволили зберегти стабільність лазерного променя, що проходить через “кишені” повітря, що коливається. Ще одним фактором, що вплинув на поліпшення стабільності, стало використання імпульсного лазера, а лазера, що випромінює безперервний потік світла.
Лазери цих двох типів мають свої переваги та недоліки в різних випадках, але, як показала практика, безперервний лазер, все ж таки, може забезпечити кращу стабільність, плюс він здатний передавати більшу кількість інформації за одиницю часу. І на закінчення слід зазначити, що порівнюючи хронометраж двох атомних годинників, одного на Землі, а інших на орбіті, вчені планують провести перевірку постулатів Загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна та деяких інших теорій, що стосуються гравітації, квантових явищ і навіть темної матерії.
Паралельно з цим, подібні лазерні комунікації зможуть стати основою високоточної системи позиціювання в просторі, яка може бути використана як при запуску апаратів у космос із поверхні Землі, так і під час польотів у найвіддаленіші куточки Сонячної системи. Джерело