Ученые, которые в рамках проекта BACON (Boulder Atomic Clock Optical Network) занимаются созданием глобальной сети связанных между собой атомных часов, недавно провели испытания новой лазерной системы, продемонстрировавшей рекордно высокие показатели стабильности на сегодняшний день. За счет использования ряда новшеств и инженерных решений луч этой лазерной системы смог сохранить свою стабильность, пройдя расстояние в 2.4 километра по открытому воздуху. Показатели стабильности длины волны, фазы и амплитуды этой лазерной системы минимум в 100 раз превышают показатели подобных систем, созданных ранее, и в 1000 раз превышают показатели стабильности самих атомных часов, которые будут соединяться и синхронизироваться при помощи такой лазерной связи.
Если создание глобальной сети атомных часов в конце концов завершится успешно, это даст ученым в руки высокоточный инструмент для проверки некоторых фундаментальных законов физики, для изучения темной материи, для создания систем высокоточной навигации и т.п. Одним из условий создания такого является наличие лазерной связи, способной обеспечить синхронизацию часов, т.е. стабильность этой связи должна быть намного выше стабильности атомных часов. Более того, такая связь должна работать в условиях открытого воздуха, что само по себе является достаточно сложной задачей.
"Полученные нами результаты показали, что дополнительные устройства стабилизации фазы и амплитуды уже могут обеспечить все необходимое для сверхточного сравнения временных меток, генерируемых оптическими атомными часами" - пишу исследователи, - "И это в условиях самых бурных и непредсказуемых самых нижних слоев земной атмосферы".
Во время экспериментов ученые "стреляли" лучом лазера в отражатель, установленный на расстоянии 1.2 километра, и анализировали параметры света, вернувшегося к источнику. Максимально высокие показатели стабильности сохранялись на протяжении 5 минут времени, после чего требовалась дополнительная корректировка и перекалибровка системы. Пять минут, однако, является остаточно большим промежутком времени, на протяжении которого можно выполнить тысячи и даже миллионы высокоточных измерений.
Отметим, что расстояние в 2.4 километра для проведения эксперимента было выбрано далеко не случайно. Согласно расчетам, количество атмосферных возмущений и турбуленции на таком расстоянии у поверхности Земли соответствует количеству, которое будет действовать на лазерный луч, направленный с поверхности на низкую околоземную орбиту, ведь воздух в более высоких слоях атмосферы более разрежен и обладает более "спокойным характером". И новые методы шумоподавления, контроля температурных расширений и регулирования положения отражателя позволили сохранить стабильность лазерного луча, проходящего через "карманы" колеблющегося воздуха.
Еще одним фактором, повлиявшим на улучшение стабильности, стало использование не импульсного лазера, а лазера, излучающего непрерывный поток света. Лазеры этих двух типов имеют свои преимущества и недостатки в различных случаях, но, как показала практика, непрерывный лазер, все же, может обеспечить лучшую стабильность, плюс он способен передавать большее количество информации за единицу времени.
И в заключении следует отметить, что сравнивая хронометраж двух атомных часов, одних на Земле, а других на орбите, ученые планируют провести проверку постулатов Общей теории относительности и некоторых других теорий, касающихся гравитации, квантовых явлений и даже темной материи. Параллельно с этим, подобные лазерные коммуникации смогут стать основой высокоточной системы позиционирования в пространстве, которая может быть использована как при запуске аппаратов в космос с поверхности Земли, так и во время полетов в самые удаленные уголки Солнечной системы.