Методы неэрмитовой фотоники позволили увеличить чувствительность лазерных гироскопов: различия между версиями

В последние годы активно исследуются возможности использования концепций неэрмитовой [[w:Фотоника|фотоники]] для разработки сенсоров с повышенной чувствительностью к внешним воздействиям. Такие воздействия могут проявляться во вращении системы в пространстве, что актуально, например, для [[w:Навигационная система|навигационных систем]]. Поэтому задача точного определения [[:w:угловаяУгловая скорость|угловой скорости]] вращения приобретает особую важность. Одним из стандартных подходов, воплощённых в [[:w:Лазерный гироскоп|лазерных гироскопах]], является использование [[:w:эффектЭффект Саньяка|эффекта Саньяка]]  — возникновение [[w:Сдвиг фаз|фазового сдвига]] между встречными [[w:Электромагнитные колебания|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 [[:w:Открытая система (физика)|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 еееё 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 неенеё, 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 [[:w:Университет Центральной Флориды|Университета Центральной Флориды]] в [[Орландо (Флорида)|Орландо]] ([[США]]) под руководством [[Мерседех Хаджавикхан|Мерседеха Хаджавикхана]] (''{{lang-en|Mercedeh Khajavikhan''}}), продемонстрировано усиление чувствительности кольцевых лазерных гироскопов с параметрами, соответствующими окрестности исключительной точки. В [[:w:Кольцевой резонатор|кольцевом резонаторе]], рассмотренном авторами, могут распространяться два типа волн  — по часовой стрелке и против неенеё. Ключевым моментом является асимметрия между двумя направлениями распространения света, которую обеспечивает введение в систему ячейки с активным веществом, [[:w:Вращение плоскости поляризации|вращающим плоскость поляризации]] света за счет [[:w:Эффект Фарадея|эффекта Фарадея]], и [[:w:Поляризатор|поляризаторов]], обеспечивающих различный уровень поглощения для встречных волн. Благодаря такой асимметрии волны, распространяющиеся по часовой стрелке и против неенеё, 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 неенеё, 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 [[Калифорнийский технологический институт|Калифорнийского технологического института]] под руководством [[Керри Вахала|Керри Вахалы]] (''{{lang-en|Kerry Vahala''}}), реализована другая схема лазерного гироскопа, основанная на неэрмитовом [[:w:Оптический резонатор|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 [[w:Накачка лазера|накачки]] со слегка различающимися частотами, подаваемых в [[w:Резонатор|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.

* {{статья|автор= Mohammad P. Hokmabadi, Alexander Schumer, Demetrios N. Christodoulides, and Mercedeh Khajavikhan. |заглавие= Non-Hermitian ring laser gyroscopes with enhanced Sagnac sensitivity |издание= Nature |год= 2019 |volume= 576 |pages= 70-7470—74 |doi= 10.1038/s41586-019-1780-4}}

* {{статья|автор= Yu-Hung Lai, Yu-Kun Lu, Myoung-Gyun Suh, Zhiquan Yuan, and Kerry Vahala. |заглавие= Observation of the exceptional-point-enhanced Sagnac effect |издание= Nature |год= 2019 |volume= 576 |pages= 65-6965—69 |doi= 10.1038/s41586-019-1777-z}}

* Обзорная статья по физике неэрмитовых систем: {{статья|автор= Ramy El-Ganainy, Konstantinos G. Makris, Mercedeh Khajavikhan, Ziad H. Musslimani, Stefan Rotter, and Demetrios N. Christodoulides. |заглавие= Non-Hermitian physics and PT symmetry |издание= Nature Physics |год= 2018 |volume= 14 |pages= 11-1911—19 |doi= 10.1038/nphys4323}}