便携式原子钟:或将减少人类对卫星导航的依赖!

传感器技术 2019-03-14 18:00

导读


近日,英国萨塞克斯大学新兴光子学实验室采用尖端的激光束技术,在原子钟的关键零件方面取得了重要突破。这种原子钟将减少未来我们对于卫星测图技术的依赖。


背景


目前,英国依靠美国(GPS)和欧盟(Galileo)的卫星地图技术,许多人的手机和汽车里面都集成了这种技术。但是,这种卫星导航技术不仅可能会受到国际政治起伏不定的影响,而且也会受制于卫星信号的可用性。


(图片来源:维基百科)


英国萨塞克斯大学数学与物理科学学院新兴光子学实验室的博士 Alessia Pasquazi 表示,便携式原子钟可以改变上述情况。例如,一辆在隧道中行驶的救护车,仍然可以获取到地图;一个往返于上下班途中的人,在地铁或者没有手机信号的乡村,仍然可以规划路线。便携式原子钟将实现极度准确的地理资讯地图,在没有卫星信号的情况下,获取你的位置或者规划路径。


光学原子钟属于顶尖级的测量器件,每一百亿年的误差不到一秒钟。目前来说,这些器件很重,达几百千克。要成为平常人可使用的一个最佳实用功能,其尺寸需要大幅缩小,而大型原子钟的精度和速度需要被保留。


光学原子钟(图片来源:维基百科)


在光学原子钟中,基准(传统时钟中的钟摆)直接来源于单个囚禁原子的量子特性:它是一束每秒振荡达数百万亿次的光线的电磁场。光学频率梳,就是能在这种速度下工作的时钟计数元件。


光学频率梳是一种特殊的激光源,其频谱由一系列离散的等间距频率线组成。在频域上,光学频率梳表现为具有相等频率间隔的光学频率序列。这些频谱线的分布特性如同我们日常生活中使用的梳子,梳齿之间保持着相等的距离。


光学频率梳的光谱(图片来源:维基百科)


微型频率梳,利用称为“光学微谐振器”的微型设备,缩小了频率梳的尺寸。这些设备抓住了全球科学界过去十年来的想象力,有望以一种紧凑的形式实现频率梳的全部潜力。然而,它们却是容易受到损伤的设备,操作起来很复杂,而且一般无法满足实用的原子钟的需求。


可通过多个频道大规模并行传输数据的光孤子频率梳(图片来源: J. N. Kemal/ P. Marin-Palomo/ KIT)


创新


近日,英国萨塞克斯大学新兴光子学实验室(EPic Lab)采用尖端的激光束技术,在原子钟的关键零件方面取得了重要突破。原子钟将减少我们未来对于卫星地图技术的依赖。他们的研发进展极大提升了相当于传统钟表中负责计数的元件的效率,达80%。这一效率正是全世界的科学家们努力争取实现的。


在芯片中传播的脉冲的艺术图(图片来源:萨塞克斯大学新兴光子学实验室)


3月11日(星期一),新兴光子学实验室的突破性研究发表在《自然光子学(Nature Photonics)》期刊上。他们展示了特别高效且健壮的微型频率梳,这是基于一种称为“激光腔孤子”的独特的波。


技术


Pasquazi 博士表示:“孤子是特殊的波,这种波对于扰动来说显得特别健壮。例如,海啸就是水的孤子。它们可以跨越令人难以置信的距离稳定传播,在2011年的日本地震之后,它们中的一些甚至达到了遥远的美国加州海岸。”


(图片来源:M. J. Ablowitz 和 D. E. Baldwin)


“在 Hualong Bao 博士开展的实验中,我们采用的是囚禁于芯片上微腔中的光线,而不是水。我们的独特方案是将芯片插入到一个基于光纤的激光器中,这种光纤与我们家庭网络所用的一样。”


基于激光腔孤子的微型频率梳的工作原理(图片来源:参考资料【2】)


“在这种组合中传输的孤子,有利于完全利用微腔的功能生成许多颜色,同时也提供了脉冲激光控制的健壮性和灵活性。下一步就是将这种基于芯片的技术转化为光纤技术,这正是我们在萨塞克斯大学有条不紊地去实现的。


价值


萨塞克斯大学新兴光子学实验室教授 Marco Peccianti 补充道:“我们正朝着将我们的器件与萨塞克斯大学教授 Matthias Keller 的研究小组开发的超紧凑的原子基准(或者说钟摆)集成到一起的目标努力。通过合作,我们计划开发出能彻底改变我们未来记时方式的便携式原子钟。”


“我们的开发代表了朝着制造实用的原子钟迈出的重要一步,我们对于我们的计划感到非常振奋,这些计划包括与英国航天航空工业展开的合作(五年内实现),以及手机、无人驾驶汽车以及无人机中使用的便携式原子钟(二十年内实现)。”


关键字


原子钟频率梳导航无人驾驶激光


参考资料


【1】https://www.sussex.ac.uk/news/all?id=48070

【2】Hualong Bao, Andrew Cooper, Maxwell Rowley, Luigi Di Lauro, Juan Sebastian Totero Gongora, Sai T. Chu, Brent E. Little, Gian-Luca Oppo, Roberto Morandotti, David J. Moss, Benjamin Wetzel, Marco Peccianti, Alessia Pasquazi. Laser cavity-soliton microcombs. Nature Photonics, 2019; DOI: 10.1038/s41566-019-0379-5




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