光学时钟技术首次在太空测试 可大幅提高GPS精度

美

国光学学会的学术研究期刊《Optica》发表文章称，研究人员首次在太空测试了光学时钟技术，该技术可使基于GPS的导航实现厘米级的定位精度。

光学时钟原理

在地球上，光学时钟能比以往时钟更精细地分割时间；在太空中，光学时钟可用作GPS参考点。光学时钟和原子钟的运行是通过测量从一个能级跃迁至另一个能级的原子振动实现的。光学时钟以更高的振动频率运行，这个频率位于可见光波段，而原子钟的振动频率位于微波波段，因此，光学时钟比原子钟的“滴答”节奏更快。

当前卫星使用的原子钟是基于铯原子的固有振动，其振动频率位于微波波段；光学时钟使用振动频率位于可见光波段的原子或离子，比微波频率高约10万倍。频率越高意味着比起以微波频率运行的原子钟，光学时钟的“滴答”节奏更快，因此可提供精确度高100~1000倍的时间标记，可大幅提升GPS精度。

试验情况

比起定义“秒”这个时间单位的原子钟，最先进的光学时钟可使时间更加精准，在数百亿年内只有不到1秒的误差。然而，其运行机制并不实用，在太空中容易受损。这次试验测试了光学时钟的硬件能否在发射过程和太空环境中保存。

本次具有历史意义的飞行试验在2015年4月执行，作为TEXUS项目的一部分，整个系统在瑞典雅斯兰吉航天中心由探空火箭发射，进行了6分钟的抛物线飞行并进入太空。一旦处于微重力环境，该系统开始自动测量，从地面站通过低带宽射频链路对其进行控制。试验中，光学时钟的精细频率梳技术得到验证，经受了严酷的探空火箭发射条件，在太空停留6分钟，随后落回地球。

光学时钟技术

频率梳是光学时钟的重要组件，可使光频振荡得到准确测量并用于报时。过去，频率梳一直是尺寸很大、非常复杂的装置，只存在于实验室。门罗系统公司的Lezius及其团队研发了全自动化光学频率梳，尺寸只有22×14.2厘米，重22千克。新型频率梳是基于光纤制成的，并使其足够坚固，能在发射过程中的极端加速力和温度变化下保存。其功耗低于70瓦。Lezius团队缩小了频率梳尺寸，并使用防护性硅橡胶对其进行保护。

未来计划

研究人员致力于研发新型光学时钟，将使精度提高几个数量级。研究人员计划再度发射具有更高精度的参考时钟，还致力于降低频率梳的重量。Lezius表示，计划在2017年11月进行改进型光学时钟的空间飞行试验；试验中，频率梳模块将不会在密封舱内运行，以测试其暴露在空间环境中的运行情况。研究人员还寻求进一步提高系统的抗辐射性，应对严酷的宇宙辐射，以确保能在轨运行多年。改进后模块的目标体积约为3升，重数千克，功耗约为10瓦。

光学时钟技术应用

频率梳可实现高精度测量，用于多种应用。例如，天基频率梳可提高卫星对全球温室气体的遥感精度，还可用于天基引力波探测器。Lezius表示，对于未来天基光学时钟、精密计量和对地观测技术而言，基于频率梳的应用非常重要。空间频率梳技术正在快速成熟化，光学时钟技术将用于极精准的GPS定位、卫星导航和引力测量；频率梳本身还能用于精确测量大气层二氧化碳，并辨别围绕遥远恒星运行的行星特性。

来源：美国《每日科学》/图片来自互联网

中国国防科技信息中心  冯云皓

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