Методы неэрмитовой фотоники позволили увеличить чувствительность лазерных гироскопов
14 декабря 2019 года
В последние годы активно исследуются возможности использования концепций неэрмитовой фотоники для разработки сенсоров с повышенной чувствительностью к внешним воздействиям. Такие воздействия могут проявляться во вращении системы в пространстве, что актуально, например, для навигационных систем. Поэтому задача точного определения угловой скорости вращения приобретает особую важность. Одним из стандартных подходов, воплощённых в лазерных гироскопах, является использование эффекта Саньяка — возникновение фазового сдвига между встречными волнами, распространяющихся по кольцевому пути. В двух статьях, опубликованных в номере журнала Nature от 5 декабря 2019 года, экспериментально продемонстрировано увеличение чувствительности таких приборов к медленным вращениям за счет использования эффектов неэрмитовой фотоники.
Неэрмитова фотоника — сравнительно новое направление физики, опирающееся на глубокие параллели между свойствами квантовых и оптических систем, для описания которых во многих случаях могут применяться одни и те же методы. Этот факт позволил по-новому взглянуть на многие задачи оптики и даже предсказать ряд новых эффектов. Системы неэрмитовой фотоники — это открытые оптические системы, которые могут обмениваться энергией с окружающим пространством, а также содержать поглощающие и/или усиливающие свет элементы. Характерной особенностью неэрмитовых систем является возможность возникновения в них «исключительных точек» — такого набора параметров, при котором совпадают частоты и амплитуды характерных волн (мод), распространяющихся в системе. Говорят, что в окрестности этих точек система «вырождена», а её поведение становится необычным. Несколько лет назад было предложено использовать исключительные точки для усиления чувствительности сенсоров к внешнему воздействию: в то время как отклик эрмитовой (закрытой) системы пропорционален малому внешнему возмущению, воздействующему на неё, вблизи исключительной точки реакция неэрмитовой (открытой) системы оказывается гораздо сильнее, поскольку пропорциональна квадратному корню из возмущения. В обсуждаемых статьях, опубликованных в журнале Nature, эта идея применяется к конкретной проблеме измерения малых угловых скоростей.
В работе, выполненной сотрудниками Университета Центральной Флориды в Орландо (США) под руководством Мерседех Хаджавикхан (англ. Mercedeh Khajavikhan), продемонстрировано усиление чувствительности кольцевых лазерных гироскопов с параметрами, соответствующими окрестности исключительной точки. В кольцевом резонаторе, рассмотренном авторами, могут распространяться два типа волн — по часовой стрелке и против неё. Ключевым моментом является асимметрия между двумя направлениями распространения света, которую обеспечивает введение в систему ячейки с активным веществом, вращающим плоскость поляризации света за счет эффекта Фарадея, и поляризаторов, обеспечивающих различный уровень поглощения для встречных волн. Благодаря такой асимметрии волны, распространяющиеся по часовой стрелке и против неё, в общем случае имеют разную частоту. Подбирая параметры таким образом, чтобы частота волн совпала, исследователи перевели систему в «вырожденное» состояние, соответствующее исключительной точке. Если теперь этот кольцевой резонатор будет вращаться как целое, частота волн, распространяющихся по часовой стрелке и против неё, вновь изменится, причём разность частот между ними будет пропорциональна квадратному корню из частоты вращения. В стандартном лазерном гироскопе такого типа асимметрия между модами отсутствует, а величина расщепления частот пропорциональна частоте вращения. Экспериментальные данные, полученные авторами работы, подтверждают повышенную чувствительность предложенного ими модифицированного кольцевого резонатора, особенно в области малых частот вращения.
Во второй работе, выполненной сотрудниками Калифорнийского технологического института под руководством Керри Вахалы (англ. Kerry Vahala), реализована другая схема лазерного гироскопа, основанная на неэрмитовом микрорезонаторе. В такой системе также могут существовать встречные волны, распространяющиеся по часовой стрелке и против нее. Асимметрия между ними возникает за счет использования двух волн накачки со слегка различающимися частотами, подаваемых в резонатор. Вращение системы приводит к различию между частотами волн, зависящему от частоты вращения. Исследователям удалось измерить так называемый фактор Саньяка, показывающий скорость увеличения этого различия с ростом частоты вращения. Оказалось, что система в «вырожденном» состоянии характеризуется в несколько раз большим фактором Саньяка при малых угловых скоростях по сравнению с обычными системами такого типа, что имеет важное значение для практических применений.
Вышедшие работы не только позволяют понять фундаментальные особенности отклика открытых оптических систем, но и демонстрируют их практическую значимость, в частности для решения актуальных задач ультрачувствительной сенсорики.
Источники
править- Mohammad P. Hokmabadi, Alexander Schumer, Demetrios N. Christodoulides, and Mercedeh Khajavikhan. Non-Hermitian ring laser gyroscopes with enhanced Sagnac sensitivity // Nature. — 2019. — Vol. 576. — P. 70—74. — DOI:10.1038/s41586-019-1780-4
- Yu-Hung Lai, Yu-Kun Lu, Myoung-Gyun Suh, Zhiquan Yuan, and Kerry Vahala. Observation of the exceptional-point-enhanced Sagnac effect // Nature. — 2019. — Vol. 576. — P. 65—69. — DOI:10.1038/s41586-019-1777-z
- Обзорная статья по физике неэрмитовых систем: Ramy El-Ganainy, Konstantinos G. Makris, Mercedeh Khajavikhan, Ziad H. Musslimani, Stefan Rotter, and Demetrios N. Christodoulides. Non-Hermitian physics and PT symmetry // Nature Physics. — 2018. — Vol. 14. — P. 11—19. — DOI:10.1038/nphys4323
Комментарии
Если вы хотите сообщить о проблеме в статье (например, фактическая ошибка и т. д.), пожалуйста, используйте обычную страницу обсуждения.
Комментарии на этой странице могут не соответствовать политике нейтральной точки зрения, однако, пожалуйста, придерживайтесь темы и попытайтесь избежать брани, оскорбительных или подстрекательных комментариев. Попробуйте написать такие комментарии, которые заставят задуматься, будут проницательными или спорными. Цивилизованная дискуссия и вежливый спор делают страницу комментариев дружелюбным местом. Пожалуйста, подумайте об этом.
Несколько советов по оформлению реплик:
- Новые темы начинайте, пожалуйста, снизу.
- Используйте символ звёздочки «*» в начале строки для начала новой темы. Далее пишите свой текст.
- Для ответа в начале строки укажите на одну звёздочку больше, чем в предыдущей реплике.
- Пожалуйста, подписывайте все свои сообщения, используя четыре тильды (~~~~). При предварительном просмотре и сохранении они будут автоматически заменены на ваше имя и дату.
Обращаем ваше внимание, что комментарии не предназначены для размещения ссылок на внешние ресурсы не по теме статьи, которые могут быть удалены или скрыты любым участником. Тем не менее, на странице комментариев вы можете сообщить о статьях в СМИ, которые ссылаются на эту заметку, а также о её обсуждении на сторонних ресурсах.
