-Мама, а что такое оптическая гребёнка?
-Это такая расчёсочка для света.
-Свет что, лохматый?
-Да, сынок, лохматый. Как и ты. Иди ко мне, причешу тебя...
...убегает в комнату. Причесываться не хочет. Весь вечер мучает меня вопросами про эту самую гребёнку и как её добыть.
Вот так, подслушает ребенок родительские разговоры, а потом мучайся, объясняй ему всё. Пришлось напрячься и придумать, как рассказать дошкольнику об этом серьёзном достижении современной техники. Расскажу и вам, уважаемые читатели.
Спектр, радуга и гребёнка
Свет имеет разные частоты, каждая из которых - отдельный цвет. В радуге есть все цвета, которые видит человек. Это и есть "лохматый" свет, в нем все цвета идут сплошняком, и трудно выделить какой-то отдельный. Все частоты, которые есть в каком-то источнике света - это спектр. Оптическая гребенка - это свет, состоящий из набора очень узких частот, отстоящий друг от друга на одинаковое расстояние. Говорят, что ее спектр состоит из отдельных линий.
Всем известно, как запомнить цвета радуги: Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан. И вправду, где он сидит? Посмотрите на изображение радуги на моей картинке. В полосе зеленого цвета (она получилась самая широкая) кажется, что оттенки почти одинаковы. На самом деле каждый пиксель этой полосы имеет свой оттенок, который мы на глаз не отличим, и найти фазана (нужную нам частоту) очень трудно.
Совсем другое дело, когда у нас есть оптическая гребёнка. Каждый зубчик этой гребенки соответствует определенной частоте спектра, и эта частота хорошо известна, задана на производстве. Расстояние между зубчиками тоже известно. Прикладывая гребенку к "лохматому" свету, мы можем точно определить, какая частота света, поймать того самого фазана.
Как сделать оптическую гребёнку
- Если я покрашу каждый зубчик расчески в разный цвет, это будет оптическая гребенка?
-Да, только игрушечная. Настоящие гребёнки делаются так...
Наша лазерная указка, которой мы играем с кошечками, светит, когда нажимаешь на кнопку. Если быстро-быстро нажимать на кнопочку, то будет так - то светит, то не светит, то светит, то не светит. Такой свет имеет спектр в виде оптической гребенки, и расстояние между гребнями зависит от того, насколько быстро мы нажимаем. Только человек не может нажимать так быстро - надо организовать такую систему, чтобы нажималось миллиарды раз в секунду. И это совсем непростая задача. Ученым, которые это придумали, в 2005 году дали Нобелевскую премию. Ученые из Университета* и Российского Квантового Центра придумали загнать свет лазера в колечко, чтобы он там бегал, и выбегал только когда полностью пробежит кольцо. Так получаются такие импульсы - то светит, то не светит - с очень высокой частотой, которой можно управлять.
Зачем нужны оптические гребёнки
- Мне не нужен фазан, не хочу на него охотиться, пусть летает на воле! Может, не надо делать оптические гребенки?
-Согласна, пусть летает! А оптические гребенки нужны вовсе не для ловли фазанов. Сейчас расскажу...
Астрономы наблюдают свет далеких звёзд, и по спектру они могут сказать, из чего состоит звезда, и какая у нее температура. Из чего состоит атмосфера далеких планет - тоже определяется по спектру. Ученые сделали много приборов, которые позволяют разложить свет в спектр, но оптические гребенки позволяют определять частоты гораздо точнее. Это значит, что можно найти очень малые количества воды, например, в атмосфере Марса.
А ещё оптические гребёнки позволяют создать очень точные часы. Вспомни лето, когда мы были на даче, и я просила тебя сказать, какой сегодня день недели..
- Я знал дни недели, но забыл. Очень трудно считать много дней подряд.
-Сейчас ты никогда не забываешь день недели. Потому что...
...по вторникам и четвергам у тебя музыка. С понедельника по пятницу ты ходишь в садик. Воскресенье отличается от других дней тем, что это выходной. Таким образом, у тебя есть выделяющиеся дни, и ты легко понимаешь, какой сегодня день - тебе не нужно считать много, а достаточно отсчитать день или два от вторника, четверга, воскресенья. Так же работает и оптическая гребенка, только там считают не дни, а малые доли секунды. Частота и время связаны между собой, чем точнее определяется частота, тем меньший период времени можно измерить. Сейчас уже научились измерять время, в миллиард миллиардов раз меньше секунды!
-Мне не надо миллиард миллиардов!
-В обычной жизни гребёнка тоже пригодится...
Когда папа едет на машине, он определяет положение по навигатору. Навигатор посылает радиосигнал на спутник, потом приходит ответ, и по сдвигу частоты и времени можно определить, где находится машина, и привязать ее положение к карте.
-Сынок, помнишь, что бывает, когда навигатор неправильно определяет положение машины?
-Папа начинает ругаться, что мы свернули не на ту дорогу на развязке. Потом долго выезжаем.
Все потому, что точность современных навигаторов еще недостаточна, чтобы различать полосы дороги. А оптическая гребенка может это сделать! Но пока она еще слишком большая и дорогая, и в автомобиль не влезет.
Но недавно ученые из Российского Квантового центра придумали и сделали маленькую и компактную гребенку, которую можно будет поставить в любую машину. Это был долгий и сложный международный проект. В январе об этом вышла статья. Вот что мы обсуждали с папой.
-Хорошо, что свет причесали!
-Это точно! Давай и тебя причешем!
Примечание для взрослых
*Университет - имеется в виду Московский Государственный Университет имени Ломоносова. В проекте создания гребёнок участвовала большая коллаборация Российских и зарубежных научных центров: МГУ, МФТИ, Политехническая Школа в Лозанне (Швейцария), и др., но ребенку я об этом не рассказывала, чтобы не вызвать шквал вопросов. Ему 6 лет.
В интернете очень много информации об оптических гребёнках, их создании и применении. Предлагаю некоторые ссылки.
- Статья в Википедии об оптических гребенках
- Новость 2014 года о создании оптических гребенок на микрорезонаторах
- Новость 2021 года о создании оптических гребенок на чипе.
Спасибо, что дочитали до конца! Было интересно? Поставьте лайк и подпишитесь на канал!