Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

«Иволга»

IVOLGA1.jpgИнфракрасный ВОЛоконный Гетеродинный Анализатор — общее название проекта лаборатории ИСПАВР по разработке спектрометров инфракрасного диапазона со сверхвысоким (l/Dl~10^8) спектральным разрешением.


Такая разрешающая способность позволяет решать задачи, недоступные другим приборам, в частности, проводить дистанционные измерения скорости ветра по доплеровскому сдвигу линий поглощения атмосферных газов, детектировать примеси газов с предельно малым содержанием и т.п.


Нашей лабораторией разрабатывается линейка приборов, основанных на принципе гетеродинирования излучения в инфракрасном диапазоне спектра.


Эти приборы найдут применение в составе астрономических обсерваторий, наземных и авиационных станций мониторинга окружающей среды, околоземных и межпланетных космических аппаратов.


Исторический контекст


Впервые принцип гетеродинирования был предложен в 1901 году канадским инженером Реджинальдом Фессенденом и запатентован в следующем году. Тогда же Фессенден ввел в применение термин «гетеродинирование», соединив два греческих корня hetero- «различный» и dyn- «мощность». Однако, гетеродинный метод в течение десятилетия после изобретения не получил в должной мере практического применения, поскольку для него требуется стабильный вспомогательный сигнал. Впоследствии гетеродинный прием активно применялся во время Второй мировой войны, а после ее окончания стал использоваться практически во всех радиоприемниках. Позже принцип гетеродинирования завоевал популярность также и в субмиллиметровом (терагерцовом) диапазоне частот. Так, принцип действия большинства современных терагерцовых спектрометров, такие как спектрорадиометр HIFI орбитальной обсерватории HERSCHEL, инструмент GREAT авиационной обсерватории SOFIA, основан именно на этом принципе.


В 1947 году Г.С.Горелик (первый декан ФОПФа и заведующий кафедрой общей физики МФТИ в 1953-1957гг.) и почти одновременно с ним группа ученых из США под руководством А.Форрестера высказали предположение о возможности наблюдения биений между двумя световыми пучками от взаимно некогерентных источников. Однако практическое применение гетеродинирование в оптическом диапазоне спектра стало возможным лишь с изобретением лазеров, обеспечивших достаточную спектральную и пространственную плотность потока излучения гетеродина.


Принцип действия гетеродинного приемника заключается в смешении анализируемого излучения и излучения опорного источника (называемого локальным осциллятором или гетеродином) на квадратичном детекторе. Поскольку фазы анализируемого излучения и локального осциллятора некогерентны, в результате смешения оптическим приемником детектируется шумовой сигнал, спектр мощности которого представляет собой свертку спектрa анализируемого излучения S1 и спектра гетеродина S2.


Пример переноса частоты в случае, когда S1 представляет собой монохроматический сигнал на частоте w1, а S2 — излучение лазера на частоте w2 с конечной шириной спектра, показан на рис.1.


IVOLGA2.jpg

Рис1. Схематическое изображение принципа переноса частоты при гетеродинном приеме.




Как правило, лазеры, которые можно использовать в качестве локального осциллятора, имеют конечную ширину спектра, составляющую ~1-10МГц. В таком случае, спектральное разрешение гетеродинного приемника ограничено шириной линии генерации лазера и может достигать значений вплоть до l/Dl~10^8.


Применение инфракрасных гетеродинных спектрометров в фундаментальных и прикладных исследованиях достаточно ограничено, и связано это в первую очередь с высокими требованиями к стабильности локального осциллятора и совмещению волновых фронтов.


Механическая стабильность устройства должна быть на уровне десятых и сотых долей длины волны, что делает реализацию подобных устройств, работающих в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне спектра чрезвычайно дорогостоящей задачей. Кроме того, с уменьшением длины волны падает числовая апертура прибора и величина регистрируемого сигнала.


Благодаря запатентованным оригинальным техническим решениям, разработанным лабораторией и ее партнерами, прибор «ИВОЛГА» позволил впервые зарегистрировать методом гетеродинирования излучение теплового источника в диапазоне 1.3-1.7мкм при спектральном разрешении 3МГц на уровне квантового предела чувствительности (рис.2).


IVOLGA3.gif

Рис.2. Линия поглощения паров воды n=7181.1561/см. Сплошная кривая — контур линии поглощения воды внутри кюветы, полученный с помощью прямых измерений диодно-лазерной спектроскопии.


Направления исследований и разработок гетеродинных спектрометров


I. Полевой спектрометр ближнего ИК диапазона для исследования состава атмосферы


Проблема мониторинга парниковых газов в атмосфере Земли требует высокой точности измерений и может быть решена лишь при комплексном подходе с использованием как космических, так и наземных средств. Поскольку парниковые газы стабильны, вариации их концентрации в атмосфере незначительны, и научной ценностью для глобального мониторинга обладают лишь высокоточные измерения во всем столбе атмосферы, что требует высокого спектрального разрешения.


В настоящее время эта задача решается при помощи международной сети станций, получившей наименование TCCON — Total Carbon Column Observing Network, оснащенных стационарными фурье-спектрометрами.


Разрабатываемый нами прибор позволяет осуществлять измерения в том же спектральном диапазоне, что и спектрометры TCCON, однако обладает значительно меньшей стоимостью и габаритами.


Созданный в лаборатории прототип (рис.3) является полностью автономным и может быть включен в состав как стационарной, так и мобильной станции мониторинга атмосферы. Прибор работает в режиме солнечных затмений и позволяет осуществлять измерения линий поглощения CO2 в полосе 1.58мкм и метана в полосе 1.65мкм со спектральным разрешением 1-2МГц.


IVOLGA4.jpg

Рис.3. Прототип гетеродинного спектрометра сверхвысокого разрешения для измерения полного содержания CO2 и CH4 в столбе атмосферы в полевых условиях.


Сверхвысокое спектральное разрешение позволит получить дополнительную информацию о вертикальном распределении поглотителя по контуру спектральной линии.


II. Бортовой спектрометр для солнечных затмений


Простота и надежность схемы построения оптоволоконного гетеродинного спектрометра сверхвысокого разрешения ближнего ИК диапазона, предельно возможная чувствительность и скромные габаритно-весовые характеристики позволяют использовать такой прибор на борту околоземных и межпланетных космических аппаратов для зондирования атмосферы методом солнечных затмений.


Помимо детектирования высотных профилей малых составляющих, спектрометр способен измерять скорость ветра в стратосферных струйных течениях по доплеровскому сдвигу линий поглощения. В атмосферах других планет подобных измерений еще не проводилось.


Помимо космического применения, спектрометр солнечных затмений может применяться для мониторинга земной атмосферы с борта самолета либо беспилотного летательного аппарата.


III. Спектрометр фокальной плоскости наземной астрономической обсерватории


До сих пор гетеродинные спектрометры инфракрасного диапазона применяются для исследования планетных атмосфер только на наземных телескопов.


В настоящее время активно эксплуатируются гетеродинные инструменты HIPWAC и THIS, которые фактически являются единственными представителями этого класса спектрорадиометрической аппаратуры для планетных исследований и являются источниками уникальных данных по динамике атмосфер планет.


Рабочий диапазон длин волн этих приборов покрывает диапазон 8-12мкм.


Задачей прибора «ИВОЛГА» является продвижение в более коротковолновый диапазон, в частности, в атмосферное окно прозрачности 3-4мкм, где можно наблюдать органические соединения. Прибор изначально создается как мобильный и может быть установлен на одной из российских или зарубежных обсероваторий с аст роклиматом, благоприятным для наблюдений в инфракрасной области спектра.


Новые подходы и технологии в приборостроении


В проекте «ИВОЛГА» реализуются новые научные подходы и технологии оптического приборостроения, многие из них применены впервые.


В приборах этой линейки использовано согласование волновых фронтов в одномодовом оптическом волокне, согласование с входной оптикой на основе явления динамического хаоса, согласование со смесителем на основе плазмонных усилителей поля и другие новейшие достижения волоконной оптики и нанофотоники.


Для реализации проекта прибора среднего ИК диапазона для наземной обсерватории разрабатываются сверхпроводящие смесители на эффекте разогрева электронов, наиболее быстрые и чувствительные детекторы излучения в этом спектральном диапазоне.


В качестве локального осциллятора планируется использовать лазеры на квантовых каскадах (QCL) с распределенной обратной связью, в качестве спектроанализатора промежуточных частот — двухдиапазонный спектрометр на быстром преобразовании Фурье с полосой до 5ГГц.


Успешная реализация этих и других новых подходов позволит считать приборы линейки «ИВОЛГА» новым поколением гетеродинных спектрорадиометров.


IVOLGA5.jpg

Рис.4. Отработка сверхпроводящих смесителей на эффекте электронного разогрева с плазмонными усилителями на лабораторном макете гетеродинного спектрометра «ИВОЛГА». В центре — криостат с жидким гелием, обеспечивающим работу смесителя. На экране спектроанализатора — спектр промежуточной частоты, ширина пика несколько МГц.

Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2016 Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Техподдержка сайта

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li
Яндекс.Метрика