德國Menlo系統(tǒng)公司下一代光學(xué)時(shí)鐘上天 其核心元器件經(jīng)受嚴(yán)苛測試

  目前世界上最準(zhǔn)的時(shí)鐘當(dāng)屬光學(xué)時(shí)鐘。5月，德國Menlo系統(tǒng)公司將下一代光學(xué)時(shí)鐘發(fā)射到太空。該有效載荷由兩個(gè)獨(dú)立單元組成，一個(gè)是全自動(dòng)雙頻梳系統(tǒng)(FOKUS II)，另一個(gè)是碘穩(wěn)頻激光器(JOKARUS)，兩個(gè)單元共同組成一個(gè)光學(xué)時(shí)鐘。基于碘的光學(xué)時(shí)鐘可以比先前使用銣氣體時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)更高的精確度，銣鐘用于GPS和GALILEO等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)系統(tǒng)。

圖為FOKUS II雙頻梳系統(tǒng)

  運(yùn)行參數(shù)

  在由探空火箭攜帶的10分鐘的飛行中，科學(xué)有效載荷達(dá)到了238公里的高度，并經(jīng)歷了6分鐘的微重力環(huán)境。帶頻梳的有效載荷持續(xù)振動(dòng)的加速度總均方根值高達(dá)9g rms，沖擊加速度高達(dá)21g，恒定加速度高達(dá)12g。在這些條件下，全自動(dòng)頻梳系統(tǒng)成功地完成了任務(wù)，并將碘光學(xué)時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)射頻原子鐘進(jìn)行了比較。該系統(tǒng)在整個(gè)飛行過程中保持運(yùn)行。

  下一代光學(xué)時(shí)鐘優(yōu)勢

  本次飛行是由Menlo系統(tǒng)公司研發(fā)的光學(xué)時(shí)鐘第三次“飛天”，此前兩次分別是在2015年4月和2016年1月。與之前的兩次任務(wù)相比，本次“飛天”的系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，大幅減小了體積，降低了功耗。盡管體積上更為緊湊，但該系統(tǒng)目前仍由兩個(gè)獨(dú)立的頻梳單元組成，為實(shí)驗(yàn)提供靈活性和冗余性。

  本次實(shí)驗(yàn)是首次進(jìn)行了雙光梳測量和對兩個(gè)根本不同的基于分子的碘光學(xué)時(shí)鐘與基于原子的標(biāo)準(zhǔn)射頻原子鐘在空間和微重力環(huán)境下進(jìn)行了比較。

  關(guān)鍵元器件的研發(fā)

  激光光學(xué)元件是從零開始重新設(shè)計(jì)的，并使用低釋氣材料制造。此外，該系統(tǒng)還能在真空下運(yùn)行。盡管其體積小，功耗低，頻梳的性能卻可與Menlo系統(tǒng)公司最新的商用系統(tǒng)相媲美。

  半導(dǎo)體激光器頻率基準(zhǔn)套件JOKARUS是作為一個(gè)單獨(dú)的模塊開發(fā)，由德國費(fèi)爾南德-布朗研究所、柏林洪堡大學(xué)(HUB)、不來梅大學(xué)和Menlo 系統(tǒng)公司共同開發(fā)的，使用了基于碘分子激光吸收的有源光學(xué)頻率基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)同時(shí)使用了兩個(gè)光梳進(jìn)行表征。由于兩個(gè)光梳的重復(fù)頻率略有不同，所以可以明確地確定碘基準(zhǔn)的絕對頻率。

  該團(tuán)隊(duì)在去年發(fā)表的關(guān)于JOKARUS硬件的論文中寫道：“用于碘光譜的組件集成技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)緊湊和堅(jiān)固耐用的空間光學(xué)系統(tǒng)的非常有前途的技術(shù)，目前美國國家航空航天局(NASA)和歐洲航天局(ESA)正在計(jì)劃中的激光干涉儀空間天線(LISA)任務(wù)將可能從該項(xiàng)研究工作中受益?！彼麄冏詈罂偨Y(jié)稱：“這項(xiàng)技術(shù)在太空任務(wù)中的首次應(yīng)用將可能是使用激光或原子干涉測量技術(shù)，或開發(fā)太空光學(xué)時(shí)鐘?！?

  重大意義

  未來，雙頻梳系統(tǒng)在太空中可以成為精密光譜學(xué)、光譜儀校準(zhǔn)、亞微米量程、激光雷達(dá)激光器的校準(zhǔn)和下一代衛(wèi)星任務(wù)中微波生成的游戲規(guī)則改變者。基于這次飛行的結(jié)果，該系統(tǒng)的長期在軌驗(yàn)證將不久會(huì)展開。

  原標(biāo)題：德國Menlo系統(tǒng)公司下一代光學(xué)時(shí)鐘成功飛天，核心元器件經(jīng)受住太空環(huán)境的嚴(yán)苛測試