自由空間激光鏈路擊敗了光學時鐘的穩(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時鐘信號。

澳大利亞的物理學家展示了如何創(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是如此之小以至于在對這種鏈路進行平均幾秒鐘后，就可以完美地傳輸來自世界上最精確的光學時鐘的定時信號。他們認為這為使用衛(wèi)星在各大洲之間同步光頻率的全球定時網(wǎng)絡提供了前景。

這種在全球范圍內(nèi)連接光學時鐘的能力可能使物理學家能夠測試廣義相對論和尋找暗物質(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間膨脹的影響，它還可用于改善基于衛(wèi)星的導航和授時以及大地測量。

現(xiàn)在光學時鐘的不確定性會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行了比較其頻率可達近2000 km。但是考慮到鋪設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鐘，但對于光學計時裝置而言，其精確度在數(shù)量級上太不精確。

任何鏈接的頻率必須比其連接的光學時鐘更穩(wěn)定。否則這些時鐘的最高準確性將被浪費掉。可以通過對較長時間的信號求平均來提高穩(wěn)定性，但是時間非常有限–一些專家預計光時鐘僅運行100s就會很快穩(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會稍微加快或延遲光的到達從而導致相位不穩(wěn)定。而湍流還會導致光束偏離目標并閃爍。這非常短暫但反復地減小了光束強度，信號的損失限制了平均時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光檢測器輸出的波動，該輸出可以捕獲持續(xù)不到一毫秒的強度下降。同時他們使用了鎖相環(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。這個澳大利亞小組和法國的同事在一月份報告，在平均40 s的情況下達到了1.6的穩(wěn)定性。研究人員在去年一份報告中說平均時間約為30小時后，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。研究人員進行了為期兩周的實驗，發(fā)現(xiàn)僅相位穩(wěn)定技術(shù)在平均一分鐘后即可實現(xiàn)1×10 -19的分數(shù)穩(wěn)定性。通過還穩(wěn)定幅度他們能夠減少信號損失，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)系的時間長度。

比較了三個頂級原子鐘和記錄精度

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

為了對這項技術(shù)進行真實測試，研究人員目前正在地面上建造一個0.7m的望遠鏡，并希望能夠從航天局或一家私人公司獲得人造衛(wèi)星的進入。研究人員指出他們將不得不應對非常嚴重的多普勒頻移-衛(wèi)星進出地面站的運動將導致輸入信號突然上升和下降大約10 GHz。但研究人員認為團隊在平方公里陣列射電望遠鏡上處理高精度微波偏移所獲得的經(jīng)驗應有助于他們保持目前的精度，并楊言稱有信心可以適應多普勒頻移。