СВЕРХТОЧНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ: ПРОРЫВ В БУДУЩЕЕ С.Н.Багаев Институт лазерной физики Новосибирск, Россия. - презентация

1 СВЕРХТОЧНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ: ПРОРЫВ В БУДУЩЕЕ С.Н.Багаев Институт лазерной физики Новосибирск, Россия

2 За всю историю человечества, часы как инструмент управления временем всегда играли важную роль в изучении Природы. Сегодня новое поколение часов – оптические часы с высокой точностью – создаются в ведущих лабораториях мира. Это открывает уникальные возможности для появления сверхточных квантовых инструментов, которые будут играть выдающуюся роль в области науки и высоких технологий будущего. ВВЕДЕНИЕ Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

3 Сверхточные оптические часы с относительной погрешностью на уровне станут реальными квантовыми инструментами для: – развитие наших знаний в области фундаментальных физических принципов природы (принципиальные эксперименты в физике); – сверхточных измерений в атомной, молекулярной и оптической физике; – реализации сверхточного контроля полетов космических аппаратов в дальнем космосе; – создания нового поколения систем спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС-М и др.), позволяющих реализовать субсантиметровую точность мониторинга объектов и управления ими на Земле и в космосе; – повышения точности астрономических наблюдений (в радиотелескопах, оптических каналах связи со спутниками и т.п.); – сверхточной синхронизации национальных шкал времени и передачи времени между разными странами (континентами). Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

4 Важнейшие задачи, которые необходимо решить: – выполнить фундаментальные исследования, которые дадут возможность получить наивысшую точность и стабильность (до уровня ) оптических часов; – разработать и создать возимые (транспортируемые) оптические часы с погрешностью до ; – разработать научно-технологические основы космических оптических часов с погрешностью до 1 × и меньше; – продемонстрировать работу возимых часов в принципиальных физических экспериментах по проверке общей теории относительности и релятивистскую геодезию с высочайшей точностью. В этой связи необходимо: усилить координацию между основными научно-исследовательскими и метрологическими центрами России. Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

5 Что такое оптические часы? Оптический стандарт частоты и времени (оптические часы) – это система, которая позволяет определять единицу времени (секунду) через период высокостабильных оптических колебаний. Оптические часы включают: - высокостабильный по частоте лазер (оптический стандарт частоты), - систему деления частоты из оптического в радиодиапазон. Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

6 1981 – 1996 – – по настоящее время Этапы развития оптических часов С.Н.Багаев и др., Appl. Phys. B., v.70, p.375, Первые в мире оптические часы (Институт лазерной физики, Новосибирск, точность измерений частоты и времени: – ) Транспортируемые оптические часы (Институт лазерной физики, Новосибирск, точность измерений частоты и времени: – ) Фемтосекундные оптические часы (точность измерений частоты и времени: и выше) Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

7 Принципиальная схема фемтосекундных оптических часов Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск Блок сравнения Блок управления Радиочастотный синтезатор Выход Фемтосекундный синтезатор Оптический стандарт частоты Фемтосекундный лазер ФАПЧ

8 Точность абсолютных измерений частоты Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

9 Схема универсальных фемтосекундных оптических часов ИЛФ СО РАН Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск Mg оптический стандарт частоты фемтосекундный синтезатор фемтосекундный Ti:Sa лазер уширитель спектра блок сравнения He-Ne/CH 4 оптический стандарт частоты блок управления Nd:YAG/I 2 оптический стандарт частоты оптические частоты радиочастоты 500 МГц – 10 ГГц / = / = ТГц / = Вносимая синтезатором нестабильность – 6· за 400 с

10 Фемтосекундные оптические часы S.N Bagayev et al., Appl. Phys. B, 2000, v.70, p , Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

11 Новое поколение квантовых оптических часов Сегодня мы решаем задачу создания нового поколения оптических часов на ультра холодных атомах и ионах (T < ~ 1 К) не только наземного, но и космического базирования с высочайшей точностью на уровне – Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

12 Схема современных оптических стандартов частоты на основе ультрахолодных атомов и ионов Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

13 Новое поколение оптических часов 1)Оптические стандарты частоты на «ультрахолодных» атомах и ионах (Т 1 μК) с использованием методов лазерного охлаждения частиц и их локализации в оптических ловушках 3) Прямая связь между частотами оптического и микроволнового диапазона с помощью фемтосекундного синтезатора ( opt microw ) ~ 10 –18 – Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск 2) Твердотельные ядерные часы на основе Тория (Th-229). Возможно достижение стабильности частоты на уровне / Атомы: Ca, 24, 26 Mg, 171 Yb, 87 Sr, 88 Sr, Hg… 87 Sr / = (PTB, Германия, 2011) 171 Yb / = (NIST, США, 2013) Перспективы: 24 Mg, 87 Sr, 171 Yb / Одиночные ионы: Hg +, Al +, Yb +, Sr +, In + … 199 Hg + / = (NIST, США, 2008) 27 Al + / = (NIST, США, 2010) 88 Sr + / = (INMS, Канада, 2012) 171 Yb + / = (PTB, Германия с участием ИЛФ, Новосибирск, 2012) Перспективы: Yb+, In+, Hg+, Al+ /

14 Схема энергетических уровней Yb + Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

15 Важнейшие результаты ИЛФ СО РАН В ИЛФ СО РАН впервые предложен революционный метод существенного (вплоть до трех порядков от своей величины) подавления сдвига частоты «часового» перехода в атоме или ионе, связанного с тепловым излучением окружающей среды (т.н. «blackbody radiation shift»). Метод основан на том, что в атомной системе с двумя часовыми переходами с частотами 1 и 2 существует некоторая «синтетическая» частота 3, которая весьма слабо зависит от окружающего теплового излучения. Например, для иона 171 Yb +, оказалось возможным подавить тепловой сдвиг до уровня В настоящее время в ИЛФ СО РАН ведутся работы по созданию 171 Yb + - оптического стандарта частоты со стабильностью – V.I. Yudin, A.V. Taichenachev, M.V. Okhapkin, S.N. Bagayev, Chr. Tamm, E. Peik, N. Huntemann, T.E. Mehlstäubler, F. Riehle, Atomic clocks with suppressed blackbody radiation shift, Phys. Rev. Lett., Vol. 107, (2011). Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск 171 Yb + ионная ловушка

16 Сверхточный стандарт частоты на одиночном ионе Yb + Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

17 WDM 1.48/1.56 Er-волокно PII Er-волокно WDM 1.48/1.56 PZT PC PSI PC Накачка 1.48 мкм Накачка 1.48 мкм PC Волоконный лазер Усилитель нм Yb + стандарт частоты / = ÷ Фотонно- кристаллическое волокно Схема мобильных волоконных фемтосекундных оптических часов космического базирования 2000 центральная длина волны 1,56 мкм; длительность импульса фз; средняя мощность без усилителя 20 м Вт; средняя мощность с усилителем 130 м Вт; суперконтинуум – нм. Y b:YAG/I 2 стандарт частоты / отн. ед. спектр излучения Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

18 Оптическая часть волоконного фемтосекундного синтезатора 10 см Центральная длина волны: 1,56 мкм; длительность импульса: фз; частота следования импульсов: 100 МГц; суперконтинуум: – нм Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

19 Схема передачи времени на удаленный наземный пункт с помощью беззапросной квантово-оптической системы

20 Еще раз хочу подчеркнуть, что создание сверхточных оптических часов ( / ̶ ) наземного и космического базирования в ближайшие лет даст прорыв не только в фундаментальной физики и астрономии, но и откроет принципиально новые возможности для реализации глобальных космических программ, в том числе в дальнем космосе, включая следующие: ̶ реализация полетов космических кораблей с оптическими часами на борту; ̶ повышение точности слежения систем дальней космической связи; ̶ реализация специальных программ будущих спутниковых полетов для уникальных экспериментов по гравитационному красному сдвигу Земли и Солнца; ̶ оптические часы должны стать главными часами в космосе (напр., на гелио-стационарных орбитах) для определения (контроля) точного времени во всех местах на Земле и Солнце. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

21 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!