КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 17-72-20089
НазваниеИсследование новых когерентных оптических эффектов в области лазерной физики и развитие инновационных лазерных технологий для создания компактных квантовых сенсоров и эталонов нового поколения
Руководитель Бражников Денис Викторович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл
Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-304 - Спектроскопия
Ключевые слова Компактные оптические стандарты частоты, атомные часы, квантовые магнитометры, прецизионная лазерная спектроскопия, диодные лазеры, оптические коммуникации
Код ГРНТИ29.33.49
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Актуальность поставленной проблемы создания компактных квантовых сенсоров и эталонов физических величин связана с большим спросом в таких устройствах во многих существующих современных технологиях, либо с развитием новых технологий. В настоящем проекте будут изучены новые подходы, идеи и экспериментальные техники для создания на их основе компактных квантовых стандартов частоты как для оптического диапазона, так и для микроволнового диапазона, а также компактной версии квантового магнитометра.
Некоторые компактифицированные версии стандартов оптической частоты на основе резонанса насыщенного поглощения в молекулярном йоде уже были созданы нашей группой в рамках выполненных проектов, поддержанных РФФИ (№15-32-20330-мол_а_вед) и грантом Президента РФ (МК-4680.2014.2), см. Рис. 1 в дополнительном файле. Они уже нашли применения в калибровке измерителей оптических длин волн, в лазерных гравиметрах и ряде научных исследований. Между тем, актуальным представляется исследование возможностей и создание значительно более компактной версии такого стандарта частоты. Это связано с тем, что в настоящее время существенно возрос интерес к таким стандартам, например, со стороны производителей мобильных гравиметров, способных производить достаточно точные измерения в полевых условиях. За рубежом такие устройства внедряются для разнообразных геофизических исследований: (1) обнаружение движений земной коры и дополнение данных о смещениях земной коры, полученных с помощью GPS, (2) составления гравитационной карты нашей планеты, что важно как для фундаментальных исследований, так и для организации бесспутниковой навигации (что актуально для подводных объектов, лишённых связи со спутником), (3) долговременный мониторинг приливов и моделирование неэластичности Земли, (4) исследования и мониторинг землетрясений; для исследований глобального изменений климата (и уровня океана в частности); для калибровки высокочувсвительных сверхпроводящих гравиметров; для поиска полезных ископаемых и много другого. Одна из современных технологий в производстве таких устройств основана на использовании лазерных источников с стабилизированной частотой генерации – лазерные гравиметры.
Для многих озвученных приложений необходимо, во-первых, чтобы такой гравиметр был способен производить измерения с чувствительностью и точностью не хуже 1-5 мкГал и при этом обладал бы сравнительно небольшими размерами (~ 30 х 30 х 30 см3) и массой на уровне 10 кг. К сожалению, в России нет аналогов таких гравиметров. Лишь некоторые передовые иностранные коммерческие устройства могут отвечать этим характеристикам. Поэтому, в данной области крайне необходимо ликвидировать отставание российских технологий в производстве компактных гравиметров. Так, для дальнейшего уменьшения размеров и массы лазерного гравиметра (например, как ГАБЛ в ИАиЭ СО РАН или ABG-VNIIM-1 в Институте метрологии им. Д.И. Менделеева) уже требуются новые радикальные решения как технического, так и физического характера. Причём, один из основных узлов, который должен быть компактифицирован при сохранении требуемых метрологических характеристик – это лазерный стандарт частоты – сердце лазерного гравиметра. Для достижения этой цели в нашем проекте будут исследованы и воплощены новые идеи и подходы к созданию компактного оптического стандарта частоты на основе йодной газовой ячейки, который послужит затем основой компактной версии гравиметра.
Кроме того, важно отметить, что помимо лазерных гравиметров, компактные версии лазерных стандартов частоты оптического диапазона представляют огромный интерес и для ряда космических применений, например, для управление космическим транспортом и передачи информации по сверхзащищённому каналу связи (между спутниками), для осуществления различных фундаментальных исследовании с помощью интерферометров со сверхдлинной базой, для проверки постоянства мировых констант, а также для мониторинга атмосферы (над океаном, Арктикой или Антарктикой). Поэтому, в создание таких компактных устройств направлены усилия нескольких крупных научных организаций, например, SYRTE (Франция), NIST (США) и Институт физики в Университете им. Гумбольдта (Германия). Причём, следует отметить, что именно компактные лазерные стандарты на основе йодной ячейки вызывают большой интерес.
Помимо компактных стандартов частоты оптического диапазона, также большой интерес и востребованность имеют компактные стандарты частоты микроволнового диапазона. Создание таких стандартов с требуемыми высокими метрологическими характеристиками в совокупности с небольшими размерами и энергопотреблением имеет принципиальное значение для развития целого ряда приоритетных направлений науки и техники в нашей стране. Действительно, точные и стабильные задающие генераторы или часы используются в различных наукоёмких технологиях: организация широкополосной оптической связи (включая телевидение и Интернет нового поколения), высокозащищённая связь, спутниковая навигация, разнообразные устройства для поиска полезных ископаемых и проведения геофизических исследований, основанные на анализе отражённых сигналов (главным образом акустических). Во многих отечественных приборов до сих пор используются кварцевые генераторы. Однако, современные мировые тенденции связаны с переходом от классических часов и генераторов к квантовым – атомным часам (или синтезаторам СВЧ). Некоторые российские научные организации, включая ИЛФ СО РАН, уже ведут исследования и разработки в направлении создания миниатюрных образцов часов и СВЧ генераторов нового поколения. Однако для некоторых важных приложений не достаточно той стабильности (кратковременной или суточной), которую могут обеспечить такие квантовые устройства и, вместе с тем, не столь принципиальна миниатюрность самого устройства. Поэтому, отдельный интерес представляет развитие технологий создания компактных, т.е. не миниатюрных, СВЧ генераторов и часов, которые бы, при этом, обеспечили более высокий уровень стабильности (около 5х10^–13 за 1 с при размерах порядка 30х30х20 см^3). В связи с этим, часть исследований настоящего проекта будет посвящена поиску оптимальных схем и принципов работы компактных стабилизированных СВЧ генераторов, в основе которых лежит эффект когерентного пленения населённостей (КПН) в парах щелочных металлов.
Третий блок экспериментальных и теоретических исследований нашего проекта будет связан с отработкой некоторых новых техник в создании компактного квантового магнитометра. Причём, некоторые подходы будут очень близки к тем, что предполагается использовать при создании компактных микроволновых генераторов, что сокращает сроки исследований и поиска оптимальных решений. Актуальность развития этого направления очевидна в силу большого спектра применений таких устройств как в фундаментальных исследованиях, так и прикладных задачах: в военном деле, навигации в дополнении к другим средствам, медицине, биологии, поиске полезных ископаемых (как магнитных, так и не магнитных). Актуальность также подтверждается большим интересом к исследованиям и разработкам квантовых магнитометров во многих лабораториях по всему миру: целый ряд иностранных государственных и коммерческих организаций США, Швейцарии, Канады, Китая, Японии, Австралии, Польши, Болгарии и др., а также некоторые российские организации. Причём, принципы работы квантового магнитометра могут быть различны, что также зависит от области и условий его использования. Одно из современных направлений связано с использованием эффекта когерентного пленения населённостей для измерения магнитного поля. В нашем проекте будет изучена новая конфигурация электромагнитных полей для магнитометрического приложения эффекта КПН, а также будет решён сопутствующий ряд важных экспериментальных и теоретических задач: изучение новой схемы наблюдения КПН в ячейках с покрытием, в ячейках с буферным газом, изучение влияния различных физических факторов на параметры резонансов, определение оптимальных параметров полей и конструкции/состава газовой ячейки, – для последующего создания компактной версии квантового магнитометра.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ