京準(zhǔn)電鐘：光學(xué)時鐘同步助力精準(zhǔn)衛(wèi)星通訊

京準(zhǔn)電鐘：光學(xué)時鐘同步助力精準(zhǔn)衛(wèi)星通訊

科學(xué)家們對于精準(zhǔn)時間的追求從未停止，目前世界上最準(zhǔn)的時鐘當(dāng)屬光學(xué)時鐘。雖然早有研究人員提出將光學(xué)時鐘應(yīng)用到衛(wèi)星上，以提升衛(wèi)星定位的準(zhǔn)確程度，但如何保持光學(xué)時鐘在太空中與地球上一樣穩(wěn)定發(fā)揮，一直是爭論的焦點(diǎn)。
1小時由60分鐘組成，1分鐘由60秒組成，那么1秒鐘有多長？它是時鐘上秒針的一格，也是電子時鐘上數(shù)字的跳躍，但是1秒鐘到底是多久，恐怕并沒有多少人知道，也沒有多少人關(guān)心。
但科學(xué)家們對于精準(zhǔn)時間的追求從未停止，目前世界上最準(zhǔn)的時鐘當(dāng)屬光學(xué)時鐘。雖然早有研究人員提出將光學(xué)時鐘應(yīng)用到衛(wèi)星上，以提升衛(wèi)星定位的準(zhǔn)確程度，但如何保持光學(xué)時鐘在太空中與地球上一樣穩(wěn)定發(fā)揮，一直是爭論的焦點(diǎn)。
關(guān)鍵部件或?qū)⒐鈱W(xué)時鐘送入太空
近日，在美國光學(xué)學(xué)會頗具影響力的學(xué)術(shù)研究期刊Optica上，研究人員公布了一種緊湊型自動激光頻率梳系統(tǒng)。它是光學(xué)時鐘的一個重要組成部分，因?yàn)樗鼈兿颀X輪一樣，將光學(xué)時鐘較快地振蕩分解成較低的頻率，并連接到一個基于微波的參考原子鐘。換言之，頻率梳可以精確地測量光學(xué)震蕩并用于獲得時間。

不過，要想更好地了解這項研究的重要性，首先要清楚光學(xué)時鐘的原理。目前，光學(xué)時鐘分為單離子囚禁光鐘和冷原子光晶格鐘兩大類。不論哪種光學(xué)時鐘，都需要在超高真空環(huán)境下，采用激光冷卻技術(shù)對離子或原子進(jìn)行減速、冷卻，并最終實(shí)現(xiàn)磁光阱“囚禁”，隨后采用離子阱或光晶格技術(shù)實(shí)現(xiàn)對離子或原子進(jìn)行“長期囚禁”，并用激光器對其進(jìn)行鎖定，最終采用飛秒光梳技術(shù)實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率和微波頻率的相干鏈接，也就是前文提到的新技術(shù)。

簡單來說，從形狀上看，飛秒光梳很像一把“梳子”，當(dāng)它被鎖模激光器鎖定后，便成為了一把可以測量光頻率的尺子，每個梳齒即是這把光尺的刻度。光頻率梳把光頻測量轉(zhuǎn)換成一系列的射頻測量，是實(shí)現(xiàn)光鐘和光頻精密測量的一次革命。
中國計量科學(xué)研究院時間頻率計量研究所所長方占軍在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時解釋道：“飛秒激光光學(xué)頻率梳是光鐘研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，它實(shí)現(xiàn)了光學(xué)頻率和微波頻率以及不同光學(xué)頻率之間的相干鏈接，使得原來極其復(fù)雜艱巨的絕對光學(xué)頻率測量工作變得相對簡單。”

因?yàn)轱w秒光束的復(fù)雜性與重要性，在光學(xué)時鐘的組件中，其體積也比較大。然而此次公布的緊湊型自動激光頻率梳系統(tǒng)，大小僅22厘米×14.2厘米，重約22公斤，基于光纖原理制成，因此它可以被安裝進(jìn)衛(wèi)星，并且可以經(jīng)受在離開地球時極端的加速度產(chǎn)生的力和溫度變化的影響。更重要的是，它的功耗低于70瓦，足以滿足衛(wèi)星設(shè)備的要求。
時間與衛(wèi)星定位更精準(zhǔn)
提升時間精度與衛(wèi)星定位有什么關(guān)系呢？方占軍解釋說：“衛(wèi)星定位導(dǎo)航與無線電定位導(dǎo)航的原理是一樣的，即通過時間測量實(shí)現(xiàn)幾何距離測量，時間測量的精度也就決定了定位導(dǎo)航的精度。”
一般來說，現(xiàn)在的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中都會安裝時鐘，這些時鐘的穩(wěn)定度決定了定位導(dǎo)航系統(tǒng)的時間測量精度，從而決定了定位導(dǎo)航的精度。目前導(dǎo)航衛(wèi)星上使用的是銣原子鐘和銫原子鐘。
“銣鐘和銫鐘都屬于微波原子鐘，其天穩(wěn)定度在10-14~10-15，它限制了衛(wèi)星定位的精度在米的量級。如果未來用更高穩(wěn)定度的光鐘來替代現(xiàn)在使用的銣鐘和銫鐘，有可能將衛(wèi)星定位導(dǎo)航的精度提高到厘米量級。”方占軍說，“必須說明的是，要實(shí)現(xiàn)厘米量級的定位導(dǎo)航，僅僅在衛(wèi)星上放置高穩(wěn)定度的星載光鐘是不夠的，還需要有更高準(zhǔn)確度的星歷參數(shù)，更精確的電離層、對流層時間延遲修正模型，更精確的星載原子鐘校準(zhǔn)同步技術(shù)等。”
目前，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國共有8家單位研制7種不同類型的10臺光鐘。其中在單離子囚禁光鐘方向上，中國科學(xué)院武漢物理數(shù)學(xué)研究所正在開展鈣（Ca+）離子光鐘和鋁（Al+）離子光鐘研究，華中科技大學(xué)正在開展鋁（Al+）離子光鐘研究；在冷原子光晶格鐘方向上，中國計量科學(xué)研究院和中科院國家授時中心正在開展鍶（Sr）原子光晶格鐘研究，華東師范大學(xué)和中科院武漢物數(shù)所正在開展鐿（Yb）原子光晶格鐘研究。
2012年中科院武漢物數(shù)所完成國內(nèi)第一臺鈣（Ca+）離子光鐘研制，絕對頻率測量數(shù)據(jù)被CCTF接收，目前的頻率不確定度為7×10-17。2015年中國計量科學(xué)研究院完成國內(nèi)第一臺鍶（Sr）原子光晶格鐘研制，絕對頻率測量不確定度被CCTF接收，頻率不確定度為2.3×10-16。
“不過，目前我國光鐘研究和世界先進(jìn)水平還有很大差距。從2005年開始，光鐘研究先后得到了國家科技部‘973’計劃、科技支撐計劃、自然基金委重大研究計劃和2016年開始的國家重點(diǎn)研發(fā)專項的支持。”方占軍表示。
1秒鐘的變遷
雖然在日常生活中，人們對于多一秒或少一秒、早一分鐘或晚一分鐘的感覺并不強(qiáng)烈，但精準(zhǔn)的時間不僅可以實(shí)現(xiàn)更高準(zhǔn)確度的世界協(xié)調(diào)時（UTC），而且由于光鐘是目前測量準(zhǔn)確度最高的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，還可用于檢驗(yàn)諸如引力紅移等基本物理理論的正確性和基本物理常數(shù)是否隨時間變化。此外，在相對論中的大地測量領(lǐng)域，科學(xué)家通過測量放置在不同地方的兩個高準(zhǔn)度光鐘的頻率差，計算得知兩地的地球引力勢差和海拔高度差，未來實(shí)現(xiàn)對地球引力勢變化的高精度監(jiān)測。
不過，在光學(xué)時鐘的研究過程中，科研人員不僅需要解決飛秒光梳技術(shù)難題，還需要解決原子操控、精密激光頻率控制、超高真空、精密恒溫隔振等關(guān)鍵技術(shù)。方占軍表示：“這些都是系統(tǒng)裝置，且相對復(fù)雜，技術(shù)難度較大。”
實(shí)際上，在光學(xué)時鐘之前，人類經(jīng)歷了幾次對于時間認(rèn)知的提升。19世紀(jì)20年代，法國科學(xué)家將秒長定義為基于地球自轉(zhuǎn)周期的平太陽秒，1秒是1個平太陽日的1/86400。這一關(guān)于1秒鐘的定義一直沿用到1960年。“當(dāng)時天文觀測發(fā)現(xiàn)，地球圍繞太陽的公轉(zhuǎn)運(yùn)動比地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動更穩(wěn)定，平太陽秒被基于地球公轉(zhuǎn)周期導(dǎo)出的歷書秒所替代，1秒是1回歸年的1/31556925.9747。”方占軍說。
1967年，關(guān)于時間的定義被原子鐘再次刷新，更為精確的原子秒是基于銫原子中電子能級間的微波躍遷周期來定義，即1秒等于銫133原子中電子基態(tài)超精細(xì)能級間躍遷的9192631770個周期所持續(xù)的時間。
“從平太陽秒到天文秒，再到原子秒，秒長定義所依賴的周期運(yùn)動的頻率從10-5赫茲和10-8赫茲提高到10-10赫茲，時間測量的分辨率大幅提高，秒長定義的復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度也相應(yīng)提高。未來的光鐘使用原子中電子能級間的光頻躍遷周期來定義秒，其周期運(yùn)動的頻率一般在1014~1015赫茲量級，秒長定義的復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度會進(jìn)一步提高。”方占軍表示。