Методы неэрмитовой фотоники позволили увеличить чувствительность лазерных гироскопов

14 декабря 2019

Лазерный гироскоп на основе кольцевого резонатора

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.

 

ИсточникиПравить

  • 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

Викиновости и Wikimedia Foundation не несут ответственности за любые материалы и точки зрения, находящиеся на странице и в разделе комментариев.