Новый спектральный шейпер управляет 10 000 лазерными линиями для поиска экзопланет

Исследователи разработали новый тип спектрального шейпера, способного формировать спектр 10 000 линий света от лазерной гребёнки частот. На изображении показан используемый пространственный модулятор света с 2D-спектром на поверхности. Автор: Уильям Ньюман, Университет Хериот-Ватт.

Учёные создали технологию, которая позволяет с беспрецедентной точностью формировать спектр света, излучаемого лазерной гребёнкой частот, в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Это достижение может стать важным инструментом в поиске планет, похожих на Землю, за пределами нашей Солнечной системы.

При поиске экзопланет астрономы используют высокоточную спектроскопию для обнаружения крошечных смещений в звёздном свете, которые выдают «покачивание» звезды из-за вращающейся вокруг неё планеты. Однако для планет земного размера эти изменения длин волн меньше естественных нестабильностей спектрографа, поэтому требуются лазерные гребёнки частот — лазеры, излучающие тысячи равномерно расположенных спектральных линий, которые служат эталонными «линейками» длин волн.

«Для астрономов главный приз — найти планету с массой, подобной Земле, и вращающуюся вокруг звезды, похожей на наше Солнце», — сказал руководитель исследовательской группы Деррик Т. Рейд из Университета Хериот-Ватт (Великобритания). — «Наш спектральный шейпер может сделать линии лазерной гребёнки частот более однородными, что позволяет спектрографу обнаруживать меньшие звёздные движения, такие как те, что вызваны планетами земного типа, которые иначе были бы скрыты в шуме».

В статье, опубликованной в журнале Optica, исследователи показали, что с помощью их нового метода спектрального формирования и лабораторного астрономического спектрографа они могут точно контролировать 10 000 отдельных линий света — примерно в 10 раз больше, чем предыдущие подходы.

«Хотя прямое применение есть в астрономическом приборостроении, спектральные шейперы — это универсальные инструменты», — отметил Рейд. — «Эта технология также может принести пользу таким областям, как телекоммуникации, квантовая оптика и передовые радары, где точный контроль над формой света в широкой полосе частот может улучшить верность сигнала, обеспечить более быструю передачу данных и улучшить манипуляцию квантовыми состояниями».

На этом изображении в условных цветах показан экспериментальный результат, где спектр лазерной гребёнки частот, содержащий тысячи линий, был выровнен и модулирован по амплитуде для создания силуэта «Opticat» — символа журнала Optica. Автор: Уильям Ньюман и Джейк Чарсли, Университет Хериот-Ватт.

Формирование спектра

Спектральные шейперы используются для тонкой настройки света для получения точно определённых спектральных характеристик. Например, если источник света имел большую интенсивность в длинноволновой красной части спектра, спектральный шейпер мог бы ослабить эти длины волн для создания спектра с более сбалансированным распределением мощности.

Для своего спектрального шейпера исследователи вдохновлялись астрономическими спектрографами на больших телескопах, которые разделяют спектр света на множество строк — формат, который более эффективно использует высокоразрешающие двумерные сенсоры камер.

«Заменив пространственным модулятором света камеру, обычно используемую в спектрографах, мы смогли контролировать спектр света в широкой полосе частот гораздо точнее, чем когда-либо прежде», — пояснил Рейд.

Сопоставляя каждую линию гребёнки частот с уникальной группой пикселей, исследователи смогли независимо управлять каждой линией, получая возможность формировать спектр в любую желаемую форму.

Исследователи запрограммировали различные фотографии в качестве целевых форм на двумерном спектрографе. Здесь показана собака члена команды (слева), представленная тысячами линий лазерной гребёнки частот (справа). Автор: Уильям Ньюман, Джейк Чарсли и Юк Шань Ченг, Университет Хериот-Ватт.

Следующий уровень контроля частоты

Поскольку невозможно было разработать технологию на настоящем астрономическом спектрографе телескопа, исследователи создали его версию в своей лаборатории. Они написали алгоритм, который сравнивал измеренный спектр с выбранной целевой формой, а затем корректировал пространственный модулятор света до совпадения.

Эксперименты показали, что они могут осуществлять точный амплитудный контроль 10 000 мод гребёнки — «зубцов» частотной гребёнки — в диапазоне от 580 до 950 нм, с соотношением полоса-пропускания/разрешение, превышающим 20 000. Для сравнения, предыдущие демонстрации построчной модуляции сообщали о контроле сотен мод гребёнки с соотношениями в несколько тысяч.

Сейчас команда работает над тестированием спектрального шейпера на Большом Южноафриканском Телескопе, где оценят его производительность в ходе реальных наблюдений.

Больше информации: W. Newman et al, Line-by-line control of 10,000 modes in a 20 GHz laser frequency comb, Optica (2025). DOI: 10.1364/OPTICA.571303