比原子鐘更精確的光學鍾進入太空，將大大提高GPS定位精度

阿盟說

2016年11月，光學鍾第一次進入太空漫遊，在經受了劇烈的火箭發射後，成功在衛星上的微重力環境下運行。這次試驗使光學鍾技術得以進入太空，或將最終讓基於GPS的導航定位達到厘米級精度。

來源：The Optical Society

翻譯：林景明

審校：鄭永春

從地球到研究火箭的視圖，顯示最後一個增強器分離，此時，光學鍾開始在微重力環境下運行。

科研人員在國際光學學會一個高影響因子的學術期刊《Optica》上，報告了一個新的、簡練、堅固與自動頻梳激光系統，它是天基光學鍾操作的關鍵。頻梳是在光學頻率運行時鐘所必需的「齒輪」。

「我們的設備是未來天基精密時鐘和計量學發展的基石，」論文第一作者馬蒂亞斯?勒吉爾斯說：「光學鍾在太空中的表現與地面上基本相同，表明我們的系統工程做得非常好。」

利用時間進行定位

手機和其它支持GPS的設備，通過聯繫至少四顆攜帶原子鐘的衛星，精確定位您在地球上的位置。它們當中的每一個提供時間印戳，並且系統基於這些時間印戳之間的相對差異來計算您的位置。目前衛星上使用的原子鐘，是基於銫原子的自然振蕩，也就是電磁頻譜中微波區域的一種頻率。

光學鐘上使用的原子或離子的振蕩頻率，比電磁頻譜中的微波高約100,000倍。高頻率意味著光學鍾比微波原子鐘跑得「更快」，或許可以把將時間印戳的精度提高100到1,000倍，大大提高了GPS的精度。

頻梳是光學鐘的重要組成部分，因為它們扮演的角色類似齒輪，將光學鐘的較快振蕩分解成較低頻率以便進行計數，同時連接到微波基準的參考原子鐘。換句話說，頻梳使光學振蕩可以被精確測量，從而告訴我們精確的時間。

當前的頻梳已經變得非常巨大而複雜，只能用在實驗室中。勒吉爾斯和他的研究團隊在德國馬普量子光學研究所的一個小組中，開發了一個全自動光學頻梳，尺寸僅為22*14.2厘米，重22公斤。

由於使用光纖，新的頻梳變得足夠堅固，使它可以在離開地球過程中經歷極端加速與溫度變化的考驗。它的功耗低於70瓦，完全符合星基設備的要求。

進入太空

科研人員將他們的新頻梳，與作為參考的銫原子鐘進行組合。德國柏林費迪南布勞恩研究所與柏林洪堡大學組成的研究團隊，合作研發了銣光學鍾。漢堡大學的研究小組最近也轉移到美因茨大學。空中客車防務及航天公司參與建造進入太空的有效載荷模塊、介面與集成，並為飛行提供支持和設備。

2015年4月，整個系統搭載到試驗火箭上，作為瑞典雅斯蘭吉太空飛行中心TEXUS計劃的一部分，飛行6分鐘之後進入太空。一旦進入微重力環境，系統就自動開始測量，並通過低帶寬無線網路由地面站進行控制。

勒吉爾斯說：「實驗證明，頻梳的功能是將384 THz的光銣轉變，與提供10 MHz參考的銫鐘作為比較分頻器。」

雖然本次實驗中使用的光學鍾精度，是當今GPS衛星上原子鐘精度的十分之一，但科研人員正在開發新版光學鍾，可以將精度提高几個數量級。

頻梳實現的高精度測量有有助於許多應用。比如，天基頻梳或能提高衛星遙感全球溫室氣體的準確性，還可能被天基引力波探測器用於探測引力波。

「基於頻梳的應用，對未來天基光學鍾，精確計量與地球觀測也非常重要，」 勒吉爾斯說。「頻梳的空間技術準備正在迅猛發展。」

科研人員計劃在2017年底將改進版的光學鍾送入太空。在屆時，頻梳模塊不再在加壓的圓頂下進行飛行，以便測試真空條件下的工作情況。科研人員還希望進一步提高系統對嚴酷宇宙輻射的抵抗力，從而確保其能在軌道上運行數年。

未來數年內，勒吉爾斯及其團隊將致力於打造符合航天質量標準的頻梳模塊，從而可以應用於未來航天任務中。他們希望，這一設備的體積有望控制在3升左右，重量只有幾公斤，功耗接近10瓦。