自由空間激光鏈路擊敗了光學(xué)時(shí)鐘的穩(wěn)定性

不久將有可能在全球范圍內(nèi)激光化自由傳輸光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)。

澳大利亞的物理學(xué)家展示了如何創(chuàng)建異常穩(wěn)定的激光鏈路，以通過大氣層發(fā)送頻率信息。研究人員說激光頻率的波動(dòng)是如此之小以至于在對(duì)這種鏈路進(jìn)行平均幾秒鐘后，就可以完美地傳輸來自世界上最精確的光學(xué)時(shí)鐘的定時(shí)信號(hào)。他們認(rèn)為這為使用衛(wèi)星在各大洲之間同步光頻率的全球定時(shí)網(wǎng)絡(luò)提供了前景。

這種在全球范圍內(nèi)連接光學(xué)時(shí)鐘的能力可能使物理學(xué)家能夠測試廣義相對(duì)論和尋找暗物質(zhì)并檢測基本常數(shù)的任何變化。由于在不同高度上的引力時(shí)間膨脹的影響，它還可用于改善基于衛(wèi)星的導(dǎo)航和授時(shí)以及大地測量。

現(xiàn)在光學(xué)時(shí)鐘的不確定性會(huì)比微波頻率基于銫的原子鐘低約100倍（大約為10 18的十分之一）而通過將它們通過光纖連接起來的距離進(jìn)行了比較其頻率可達(dá)近2000 km。但是考慮到鋪設(shè)帶有合適放大器的專用光纖的巨大成本，在全球范圍內(nèi)進(jìn)行此類比較將是困難的。另一方面衛(wèi)星無線電鏈路適用于微波時(shí)鐘，但對(duì)于光學(xué)計(jì)時(shí)裝置而言，其精確度在數(shù)量級(jí)上太不精確。

任何鏈接的頻率必須比其連接的光學(xué)時(shí)鐘更穩(wěn)定。否則這些時(shí)鐘的最高準(zhǔn)確性將被浪費(fèi)掉?？梢酝ㄟ^對(duì)較長時(shí)間的信號(hào)求平均來提高穩(wěn)定性，但是時(shí)間非常有限–一些專家預(yù)計(jì)光時(shí)鐘僅運(yùn)行100s就會(huì)很快穩(wěn)定其余部分。

大氣湍流

自由空間鏈接的開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)是克服大氣湍流，沿激光路徑的折射率波動(dòng)會(huì)稍微加快或延遲光的到達(dá)從而導(dǎo)致相位不穩(wěn)定。而湍流還會(huì)導(dǎo)致光束偏離目標(biāo)并閃爍。這非常短暫但反復(fù)地減小了光束強(qiáng)度，信號(hào)的損失限制了平均時(shí)間并因此限制了頻率穩(wěn)定性。

為了演示如何克服這些問題研究人員在屋頂上安裝了激光發(fā)射器和接收器。然后他們測量了從1.2公里外的另一個(gè)屋頂上的角a反射器反射回來的光束穩(wěn)定性。他們說這種2.4公里的水平往返與在低地球軌道上大約500公里處的地面與衛(wèi)星之間建立的聯(lián)系具有相同的湍流水平。

為了最大程度地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研究人員能夠使用“傾斜式”反射鏡不斷地調(diào)整反射光束的方向以響應(yīng)光檢測器輸出的波動(dòng)，該輸出可以捕獲持續(xù)不到一毫秒的強(qiáng)度下降。同時(shí)他們使用了鎖相環(huán)和聲光調(diào)制器來改變光的頻率。

自由空間嘗試

這不是在自由空間中穩(wěn)定頻率傳輸?shù)氖状螄L試。這個(gè)澳大利亞小組和法國的同事在一月份報(bào)告，在平均40 s的情況下達(dá)到了1.6的穩(wěn)定性。研究人員在去年一份報(bào)告中說平均時(shí)間約為30小時(shí)后，與6 x 10 -19相比這很好。該技術(shù)的一端使用1.5km的露天鏈路兩端均裝有光鐘

但是最新的工作大大提高了穩(wěn)定性。研究人員進(jìn)行了為期兩周的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)僅相位穩(wěn)定技術(shù)在平均一分鐘后即可實(shí)現(xiàn)1×10 -19的分?jǐn)?shù)穩(wěn)定性。通過還穩(wěn)定幅度他們能夠減少信號(hào)損失，并在5分鐘后將穩(wěn)定性提高到大約6×10 -21。正如他們指出的那樣，這恰好是與低地球軌道的衛(wèi)星保持聯(lián)系的時(shí)間長度。

比較了三個(gè)頂級(jí)原子鐘和記錄精度

他們弄清楚了這些數(shù)字與軌道上的衛(wèi)星連接時(shí)的含義。他們發(fā)現(xiàn)距離越遠(yuǎn)信號(hào)帶寬越低，穩(wěn)定性會(huì)略有降低，但仍能使系統(tǒng)與最佳光時(shí)鐘保持極強(qiáng)的競爭力。他們計(jì)算出在平均幾秒鐘后頻率比較將受到時(shí)鐘自身不穩(wěn)定性的限制。

為了對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行真實(shí)測試，研究人員目前正在地面上建造一個(gè)0.7m的望遠(yuǎn)鏡，并希望能夠從航天局或一家私人公司獲得人造衛(wèi)星的進(jìn)入。研究人員指出他們將不得不應(yīng)對(duì)非常嚴(yán)重的多普勒頻移-衛(wèi)星進(jìn)出地面站的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致輸入信號(hào)突然上升和下降大約10 GHz。但研究人員認(rèn)為團(tuán)隊(duì)在平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡上處理高精度微波偏移所獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)有助于他們保持目前的精度，并楊言稱有信心可以適應(yīng)多普勒頻移。