Определить направление и скорость ветра на Венере, отыскать внесолнечные планеты и, наконец, отследить концентрацию углекислого газа на родной Земле – разработанные в МФТИ спектрометры IVOLGA способны помочь с решением всех этих задач. Александр Родин, доцент МФТИ и один из главных идеологов проекта, рассказал о принципах работы рекордных устройств в своём докладе на прошедшей в ФИАН конференции TDLS 2013 (International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy)

ИК-спектроскопия это один из самых распространенных способов для анализа химического состава веществ. Характерные пики поглощения света в этом диапазоне позволяют говорить о химических связях в образцах, взаимодействовавших с анализируемым светом. Однако этим возможности молекулярной спектроскопии не ограничиваются и при большом разрешении прибора уже можно определять состояние изучаемого вещества – его температуру, давление и пр.

В спектрометрах IVOLGA анализируются инфракрасное излучение далёких космических тел. Для этого оно складывается на фотоприемнике с постоянным сигналом близкой частоты. В полном соответствии со школьной тригонометрией в результате получается две новых частоты – средняя и полуразностная, сигнал с которой попадает в радиодиапазон и дальше анализируется более привычной, радиочастотной электроникой.

«Уже 50-60 лет во всём мире пользуются гетеродинными приёмниками – и здесь не обязательно говорить о далёких планетах и космических телах. Ведь после второй мировой гетеродины стоят во всех FM-приёмниках. Но гетеродинирование в инфракрасной области, области ближнего ИК – это экзотика. Почему? Потому что есть фундаментальное ограничение эффективности – чем короче длина волны, тем с меньшего угла мы можем принимать излучение. Но с помощью буквально простой стеклянной кюветы, катушки волокна, чипа с полупроводниковым лазером и различной электроники нам удалось получить прибор, который по своему спектральному разрешению эквивалентен телескопу с 5-метровой разностью хода и стоимостью в несколько миллионов евро» – Александр Родин

Спектральное разрешение оптических приборов обычно определяется в терминах отношения λ к δλ – длины волны излучения к разнице длин волн, – на которых ещё можно отличить близкие друг к другу сигналы. Для обычных спектрометров значение этой величины равняется 100 или 1000, для дорогостоящих Фурье-спектрометров достигает 10 тыс., а для ИК-спектрометров IVOLGA – уже около 10⁹. Такое рекордное разрешение позволяет новым приборам решать самые различные задачи.

Внешний вид гетеродинного ИК-спектрометра Иволга (предоставлено автором)

«Мы видим, что концентрация углекислого газа в земной атмосфере за последнее столетие выросла в два раза. Как это связано с парниковой проблемой – вещь неоднозначная. А чтобы в чём-то разобраться, нам надо сначала научиться это чётко отслеживать. Сейчас определением углекислого газа занимаются два спутника, японский и американский, и около 20 наземных станций. На каждой из них стоит многомиллионный Фурье-спектрометр, для обслуживания которого нужен квалифицированный персонал. А для обслуживания нашего прибора не требуется совершенно никаких усилий. Поэтому мы надеемся, что сможем не просто побороться за этот рынок, а по-настоящему сформировать его. Как в 80-ые, 90-ые – вся эта шумиха с озоновыми дырами привела к тому, что на тысячах метеостанций появилась аппаратура, которая в режиме реального времени теперь определяет концентрацию озона» – Александр Родин

Кроме анализа земной атмосферы, с помощью спектрометров IVOLGA можно изучать и различные, казалось бы, недоступные для земного наблюдателя, процессы на других космических телах. Так незначительный сдвиг спектральных линий в сигналах с Венеры показывает скорость ветра на этой планете (Сдвиг происходит из-за эффекта Доплера, изменения частоты сигнала при движении источника или приёмника).

Мы рассказали только о двух идеях для применения новых приборов. В действительности, их гораздо больше и многие из них рождаются в общении с коллегами, а потому участие в конференциях подобных TDLS-2013 очень важно для будущего проекта.

«Конкуренцию в нашей области, конечно, ещё никто не отменял. Но конкуренция всегда должна идти бок о бок с сотрудничеством. Для меня, например, очень важно было познакомиться с ведущими зарубежными группами, работающими по нашей тематике. Да, наша работа стала возможна благодаря Физтеху. Она начиналась в Физтехе, через Физтех мы получаем финансирование по мегагранту Владимира Анатольевича Краснопольского – но для успеха всего проекта ещё очень важна кооперация. Потому что на Физтехе нам удалось собрать на одной площадке ведущих российских специалистов из ИКИ РАН, ФИАН, МГУ и даже МПГУ. На первый взгляд, даже в голову не пришло бы идти в пединститут  – а там оказались совершенно классные специалисты, которые очень помогли работе. Поэтому такие конференции, общение с коллегами, обсуждение новых идей очень важно» – Александр Родин