Американские физики создали осциллограф, способный визуализировать во времени световые колебания длительностью более 100 пикосекунд с разрешением в 0,22 пс. Это устройство может найти применение в телекоммуникационных технологиях для получения «изображений» передающих сигналов, а также поможет изучать быстропротекающие физические процессы.
Физика быстропротекающих процессов достигла в последние годы поразительных успехов. В распоряжении ученых имеются приборы, успевающие запечатлеть процессы, длящиеся пикосекунды (10–12 с), фемтосекунды (10–15 с) и даже еще более короткие промежутки времени.
|
Как правило, информацию об этих процессах физики получают оптическим образом. Они облучают исследуемый объект ультракоротким световым импульсом (электромагнитными волнами оптического диапазона), затем детектируют рассеявшийся импульс и смотрят, что с ним произошло. Вся информация о быстропротекающих процессах в объекте исследования оказывается «записанной» во временном профиле пришедшего импульса — надо только восстановить его с хорошей точностью.
И вот это — весьма непростая задача. С одной стороны, сейчас физики умеют создавать чрезвычайно короткие световые вспышки, длительностью меньше 1 фс. Но приборы, регистрирующие такие импульсы, обладают очень плохим временным разрешением: они могут измерить «среднюю яркость» ультракороткой вспышки, но неспособны увидеть во всех деталях ее временной профиль.
Можно, конечно, подойти и с другой стороны — просто поставить фотодатчик, который превратит световой импульс в электрический сигнал на выходе, а его данные можно преспокойно записывать сколь угодно долго. Но проблема в том, что самые быстрые из современных фотодетекторов имеют временное разрешение около 30 пс, то есть они просто не будут успевать за слишком быстрыми колебаниями яркости.
В недавней статье Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope, опубликованной в журнале Nature, сообщается о разработке нового устройства, которое делает огромный шаг вперед в этой области. Американские физики создали ультрабыстрый оптический осциллограф, который имеет временное разрешение 0,22 пс и способен записать сигнал длительностью свыше 100 пс. То есть с помощью него единичный импульс можно разбить почти на 500 временных участков, что позволяет изучать импульсы с самыми замысловатыми профилями. Таких впечатляющих значений американцы добились благодаря устройству, называемому временной линзой, функционирование которой опирается сразу на несколько физических явлений нелинейной оптики.
Для того чтобы пояснить принцип работы временной линзы, вспомним вначале, что такое собирающая линза. Большинство скажет, что это прибор, который увеличивает изображение. На самом деле, это всего лишь побочное свойство линзы. Главным ее свойством является способность фокусировать параллельный поток света в точку, расположенную на строго определенном расстоянии от линзы, в фокальной плоскости (и наоборот — превращать точечный источник света в фокальной плоскости в пучок параллельных лучей).
Если теперь в одну фокальную плоскость поместить не точечный и не равномерный источник света, а источник с некоторой пространственной периодичностью, то его свет, пройдя сквозь линзу, разложится в противоположной фокальной плоскости по разным компонентам периодичности (см. рис. 1а).
Таким образом, измерив это распределение компонентов на выходе, можно получить форму источника света. На языке оптики это означает, что линза выполняет пространственное преобразование Фурье.
Временная линза — это некоторое устройство, которое делает то же самое, но только не для пространственной, а для временной периодичности (см. рис. 1b). На вход устройства (то есть в первую «фокальную плоскость») подается световой импульс-сигнал с какой-то зависимостью от времени. Этот сигнал бежит по оптоволокну определенной длины до главного устройства — собственно «линзы». Там с ним происходят определенные метаморфозы (см. ниже), затем импульс бежит по второму такому же оптоволокну до второй «фокальной плоскости» и там выводится наружу.
В полной аналогии с обычной линзой оказывается, что спектральное распределение (то есть распределение по длинам волн) светового сигнала на выходе в точности соответствует временному профилю сигнала на входе. А распределение по длинам волн зарегистрировать уже легко — это делается с помощью спектрометра (фактически, обычной призмы с массивом фотодатчиков). Таким образом, временной профиль исходного сигнала получается моментально, за одно спектральное измерение, и не требует никаких приемов вычислительной обработки. Это значит, что регистрировать и изучать такие импульсы можно, даже если они следуют один за другом с высокой частотой — идеальное условие для практических применений!
Осталось объяснить, как же действует «сердце» временной линзы — устройство, которое как бы «преломляет во времени» проходящий сквозь него световой импульс. Для этого опять вернемся к обычной собирающей линзе. Свою работу она выполняет за счет того, что стекло в центре линзы толще, а по краям — тоньше. Из-за этого лучи, идущие прямо по центру линзы, задерживаются в стекле чуть дольше, чем идущие по краям. Такая специально созданная задержка по времени и приводит в конце концов к тому, что центральный луч не искажается, луч, идущий вверху, — загибается вниз, а луч, идущий внизу, — загибается вверх, так что все они стремятся сфокусироваться в фокальной плоскости.
Внутри временной линзы происходит нечто аналогичное. Там с помощью нелинейно-оптических эффектов создаются такие условия, чтобы часть светового импульса, пришедшая в некий определенный «нулевой» момент, не изменилась, часть импульса, пришедшая чуть раньше, приобрела чуть большую длину волны, а часть импульса, пришедшая позже, — чуть меньшую длину волны. Эти части импульса бегут затем по второму оптоволокну с разной скоростью и тоже стремятся сфокусироваться на выходе. Спектр этого сфокусированного сигнала и дает изображение временного профиля световой волны.
Само собой, команда исследователей подвергла свой осциллограф экспериментальным испытаниям, дабы убедиться в практических возможностях своего изобретения. Для этого они через произвольные интервалы времени направляли в устройство световой импульс длительностью 342 фемтосекунды, создавая таким образом набор входящих сигналов. Результат действия прибора можно увидеть на рис. 2, где показаны временные профили светового импульса.
|
Как видим, осциллограф, который удалось создать американским физикам, успешно справился со своей задачей. В течение рекордного по длительности времени — 100 пикосекунд — устройство отображало «временные портреты» светового импульса.
Интересно отметить, что в обсуждаемой работе осциллограф был довольно простым и компактным. Он представлял собой тонкий прозрачный кремниевый канал (волновод) длиной в полтора сантиметра, созданный на обычном чипе по технологии «кремний на изоляторе» (рис. 1b). Это значит, что в перспективе компоненты такого измерительного прибора можно легко интегрировать с существующей сейчас кремниевой электроникой.
Где такой осциллограф может найти применение? Помимо упоминаемых выше быстродействующих физических процессов, данное изобретение можно использовать в телекоммуникационных технологиях — при передаче информации с помощью световых импульсов (что, собственно, и подчеркивают в своей статье авторы). Например, смотреть, как сильно они искажаются в процессе распространения по оптоволокну.
