比原子钟更精确的光学钟进入太空，将大大提高GPS定位精度

这是第一次光学钟漫游在太空中，经受严酷的火箭发射条件后，成功在卫星上的微重力环境下成功运行。...

来源：The Optical Society

翻译：林景明

审校：郑永春科研人员在国际光学学会一个高影响因子的学术期刊《Optica》上，报告了一个新的、简练、坚固与自动频梳激光系统，它是天基光学钟操作的关键。频梳是在光学频率运行时钟所必需的“齿轮”。

“我们的设备是未来天基精密时钟和计量学发展的基石，”论文第一作者马蒂亚斯•勒吉尔斯说：“光学钟在太空中的表现与地面上基本相同，表明我们的系统工程做得非常好。”手机和其它支持GPS的设备，通过联系至少四颗携带原子钟的卫星，精确定位您在地球上的位置。它们当中的每一个提供时间印戳，并且系统基于这些时间印戳之间的相对差异来计算您的位置。目前卫星上使用的原子钟，是基于铯原子的自然振荡，也就是电磁频谱中微波区域的一种频率。

光学钟上使用的原子或离子的振荡频率，比电磁频谱中的微波高约100,000倍。高频率意味着光学钟比微波原子钟跑得“更快”，或许可以把将时间印戳的精度提高100到1,000倍，大大提高了GPS的精度。

频梳是光学钟的重要组成部分，因为它们扮演的角色类似齿轮，将光学钟的较快振荡分解成较低频率以便进行计数，同时连接到微波基准的参考原子钟。换句话说，频梳使光学振荡可以被精确测量，从而告诉我们精确的时间。

当前的频梳已经变得非常巨大而复杂，只能用在实验室中。勒吉尔斯和他的研究团队在德国马普量子光学研究所的一个小组中，开发了一个全自动光学频梳，尺寸仅为22*14.2厘米，重22公斤。

由于使用光纤，新的频梳变得足够坚固，使它可以在离开地球过程中经历极端加速与温度变化的考验。它的功耗低于70瓦，完全符合星基设备的要求。科研人员将他们的新频梳，与作为参考的铯原子钟进行组合。德国柏林费迪南布劳恩研究所与柏林洪堡大学组成的研究团队，合作研发了铷光学钟。汉堡大学的研究小组最近也转移到美因茨大学。空中客车防务及航天公司参与建造进入太空的有效载荷模块、接口与集成，并为飞行提供支持和设备。

2015年4月，整个系统搭载到试验火箭上，作为瑞典雅斯兰吉太空飞行中心TEXUS计划的一部分，飞行6分钟之后进入太空。一旦进入微重力环境，系统就自动开始测量，并通过低带宽无线网络由地面站进行控制。

勒吉尔斯说：“实验证明，频梳的功能是将384 THz的光铷转变，与提供10 MHz参考的铯钟作为比较分频器。”

虽然本次实验中使用的光学钟精度，是当今GPS卫星上原子钟精度的十分之一，但科研人员正在开发新版光学钟，可以将精度提高几个数量级。

频梳实现的高精度测量有有助于许多应用。比如，天基频梳或能提高卫星遥感全球温室气体的准确性，还可能被天基引力波探测器用于探测引力波。

“基于频梳的应用，对未来天基光学钟，精确计量与地球观测也非常重要，” 勒吉尔斯说。“频梳的空间技术准备正在迅猛发展。”

科研人员计划在2017年底将改进版的光学钟送入太空。在届时，频梳模块不再在加压的圆顶下进行飞行，以便测试真空条件下的工作情况。科研人员还希望进一步提高系统对严酷宇宙辐射的抵抗力，从而确保其能在轨道上运行数年。

未来数年内，勒吉尔斯及其团队将致力于打造符合航天质量标准的频梳模块，从而可以应用于未来航天任务中。他们希望，这一设备的体积有望控制在3升左右，重量只有几公斤，功耗接近10瓦。

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