德國Menlo系統(tǒng)公司下一代光學時鐘上天 其核心元器件經(jīng)受嚴苛測試

  目前世界上最準的時鐘當屬光學時鐘。5月，德國Menlo系統(tǒng)公司將下一代光學時鐘發(fā)射到太空。該有效載荷由兩個獨立單元組成，一個是全自動雙頻梳系統(tǒng)(FOKUS II)，另一個是碘穩(wěn)頻激光器(JOKARUS)，兩個單元共同組成一個光學時鐘。基于碘的光學時鐘可以比先前使用銣氣體時鐘實現(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)

  運行參數(shù)

  在由探空火箭攜帶的10分鐘的飛行中，科學有效載荷達到了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)振動的加速度總均方根值高達9g rms，沖擊加速度高達21g，恒定加速度高達12g。在這些條件下，全自動頻梳系統(tǒng)成功地完成了任務，并將碘光學時鐘與標準射頻原子鐘進行了比較。該系統(tǒng)在整個飛行過程中保持運行。

  下一代光學時鐘優(yōu)勢

  本次飛行是由Menlo系統(tǒng)公司研發(fā)的光學時鐘第三次“飛天”，此前兩次分別是在2015年4月和2016年1月。與之前的兩次任務相比，本次“飛天”的系統(tǒng)重新設計，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)目前仍由兩個獨立的頻梳單元組成，為實驗提供靈活性和冗余性。

  本次實驗是首次進行了雙光梳測量和對兩個根本不同的基于分子的碘光學時鐘與基于原子的標準射頻原子鐘在空間和微重力環(huán)境下進行了比較。

  關(guān)鍵元器件的研發(fā)

  激光光學元件是從零開始重新設計的，并使用低釋氣材料制造。此外，該系統(tǒng)還能在真空下運行。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。

  半導體激光器頻率基準套件JOKARUS是作為一個單獨的模塊開發(fā)，由德國費爾南德-布朗研究所、柏林洪堡大學(HUB)、不來梅大學和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頻率基準，該基準同時使用了兩個光梳進行表征。由于兩個光梳的重復頻率略有不同，所以可以明確地確定碘基準的絕對頻率。

  該團隊在去年發(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)是一種實現(xiàn)緊湊和堅固耐用的空間光學系統(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)正在計劃中的激光干涉儀空間天線(LISA)任務將可能從該項研究工作中受益。”他們最后總結(jié)稱：“這項技術(shù)在太空任務中的首次應用將可能是使用激光或原子干涉測量技術(shù)，或開發(fā)太空光學時鐘?！?

  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、光譜儀校準、亞微米量程、激光雷達激光器的校準和下一代衛(wèi)星任務中微波生成的游戲規(guī)則改變者?；谶@次飛行的結(jié)果，該系統(tǒng)的長期在軌驗證將不久會展開。

  原標題：德國Menlo系統(tǒng)公司下一代光學時鐘成功飛天，核心元器件經(jīng)受住太空環(huán)境的嚴苛測試