自由空間激光鏈路擊敗了光學時鍾的穩定性

不久將有可能在全球範圍內(nei) 激光化自由傳(chuan) 輸光學時鍾信號。

澳大利亞(ya) 的物理學家展示了如何創建異常穩定的激光鏈路，以通過大氣層發送頻率信息。研究人員說激光頻率的波動是如此之小以至於(yu) 在對這種鏈路進行平均幾秒鍾後，就可以完美地傳(chuan) 輸來自世界上最精確的光學時鍾的定時信號。他們(men) 認為(wei) 這為(wei) 使用衛星在各大洲之間同步光頻率的全球定時網絡提供了前景。

這種在全球範圍內(nei) 連接光學時鍾的能力可能使物理學家能夠測試廣義(yi) 相對論和尋找暗物質並檢測基本常數的任何變化。由於(yu) 在不同高度上的引力時間膨脹的影響，它還可用於(yu) 改善基於(yu) 衛星的導航和授時以及大地測量。

現在光學時鍾的不確定性會(hui) 比微波頻率基於(yu) 銫的原子鍾低約100倍（大約為(wei) 10 18的十分之一）而通過將它們(men) 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(zhuan) 用光纖的巨大成本，在全球範圍內(nei) 進行此類比較將是困難的。另一方麵衛星無線電鏈路適用於(yu) 微波時鍾，但對於(yu) 光學計時裝置而言，其精確度在數量級上太不精確。

任何鏈接的頻率必須比其連接的光學時鍾更穩定。否則這些時鍾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定性，但是時間非常有限–一些專(zhuan) 家預計光時鍾僅(jin) 運行100s就會(hui) 很快穩定其餘(yu) 部分。

大氣湍流

自由空間鏈接的開發人員麵臨(lin) 的挑戰是克服大氣湍流，沿激光路徑的折射率波動會(hui) 稍微加快或延遲光的到達從(cong) 而導致相位不穩定。而湍流還會(hui) 導致光束偏離目標並閃爍。這非常短暫但反複地減小了光束強度，信號的損失限製了平均時間並因此限製了頻率穩定性。

為(wei) 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射器和接收器。然後他們(men) 測量了從(cong) 1.2公裏外的另一個(ge) 屋頂上的角a反射器反射回來的光束穩定性。他們(men) 說這種2.4公裏的水平往返與(yu) 在低地球軌道上大約500公裏處的地麵與(yu) 衛星之間建立的聯係具有相同的湍流水平。

為(wei) 了最大程度地提高係統的穩定性，研究人員能夠使用“傾(qing) 斜式”反射鏡不斷地調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不到一毫秒的強度下降。同時他們(men) 使用了鎖相環和聲光調製器來改變光的頻率。

自由空間嚐試

這不是在自由空間中穩定頻率傳(chuan) 輸的首次嚐試。這個(ge) 澳大利亞(ya) 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的穩定性。研究人員在去年一份報告中說平均時間約為(wei) 30小時後，與(yu) 6 x 10 -19相比這很好。該技術的一端使用1.5km的露天鏈路兩(liang) 端均裝有光鍾

但是最新的工作大大提高了穩定性。研究人員進行了為(wei) 期兩(liang) 周的實驗，發現僅(jin) 相位穩定技術在平均一分鍾後即可實現1×10 -19的分數穩定性。通過還穩定幅度他們(men) 能夠減少信號損失，並在5分鍾後將穩定性提高到大約6×10 -21。正如他們(men) 指出的那樣，這恰好是與(yu) 低地球軌道的衛星保持聯係的時間長度。

比較了三個(ge) 頂級原子鍾和記錄精度

他們(men) 弄清楚了這些數字與(yu) 軌道上的衛星連接時的含義(yi) 。他們(men) 發現距離越遠信號帶寬越低，穩定性會(hui) 略有降低，但仍能使係統與(yu) 最佳光時鍾保持極強的競爭(zheng) 力。他們(men) 計算出在平均幾秒鍾後頻率比較將受到時鍾自身不穩定性的限製。

為(wei) 了對這項技術進行真實測試，研究人員目前正在地麵上建造一個(ge) 0.7m的望遠鏡，並希望能夠從(cong) 航天局或一家私人公司獲得人造衛星的進入。研究人員指出他們(men) 將不得不應對非常嚴(yan) 重的多普勒頻移-衛星進出地麵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(wei) 團隊在平方公裏陣列射電望遠鏡上處理高精度微波偏移所獲得的經驗應有助於(yu) 他們(men) 保持目前的精度，並楊言稱有信心可以適應多普勒頻移。