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2016-11-22 22:45 |
光学时钟在太空中的首次测试
这是历史上首次，把光学时钟送到太空中，在经历火箭发射时恶劣的条件后没有受到损坏，并想一个卫星那样在微重力条件下成功工作。这个演示为实现太空空间中的光学时钟技术更进一步了，它最终就可以应用在精度达到厘米级的基于GPS的导航定位中。 _=ee Z4f
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在美国光学学会的高影响力的学术研究期刊《Optica》上，研究人员提出的一个新的研究结果，一种紧凑型的强大且自动激光频率梳系统，这也是进行空间光学时钟操作的关键。频率梳是在光学频率下运行的时钟滴答滴答的“齿轮”。 Wg+fT{[f|
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“我们的设备代表未来天基精密钟表和计量发展的基石，” Menlo Systems有限公司的Matthias Lezius表述说，他是该论文的第一作者。“光学时钟在空间中的表现和它在地面上表现一样，显示出我们的系统工程运行得很好。” Vi~F
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利用时间的定位 pPdOw K#
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电话和其他的具有全球定位系统功能的设备，要想查明你在地球的位置，至少要通过相连接的四颗携带原子钟的卫星。这些卫星中的每一个都提供了一个时间标记，系统根据这些时间的相对差异来计算你的位置。在今天的卫星中所用的原子钟是基于铯原子的自然振荡的频率，即微波波段的电磁频谱。 =K)au$BE|
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光学时钟使用的振荡频率比微波高100000倍的原子或离子，处于光频或可见光，部分位于电磁频谱。更高的频率意味着光学时钟“滴答”的速度比微波原子钟要快，因此可以提供100到1000倍的时间标记，大大提高了全球定位系统的精度。 .{1MM8 Q
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频率梳是光学时钟的一个重要组成部分，因为它们像齿轮一样，将光学时钟较快的振荡分解成较低的频率，并连接到一个基于微波的参考原子钟。换言之，频率梳可以精确地测量光学震荡并用于获得时间。 kOGpe'bV
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直到最近，频率梳在实验室中已经是一种非常大且复杂的设置了。Lezius和他在Menlo Systems公司的团队，开发了一个完全自动化的光学频率梳，只有22 14.2厘米，重22公斤，这一公司是诺贝尔奖得主T.W. Hänsch在马克斯普朗克量子光学研究所的研究团队的一个衍生公司。 FFNv'\)
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新的频率梳是基于光纤的，这使它坚固耐用，足以经受住在离开地球时极端的加速度产生的力和温度变化的影响。它的功耗低于70瓦，足以满足卫星设备的要求。 \5%T'S@5
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太空之旅 Tl!}9/Q5E:
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研究人员将他们的新频率梳和铯原子时钟相结合作为参考，并且来自柏林的费迪南布劳恩研究所和柏林的洪堡大学以及来自汉堡大学最近搬到了美因兹大学的研究人员一起开发了铷原子钟。空客防务与空间有限公司参与了该研究的建设、接口和进入空间有效载荷模块的集成，也提供了在飞行过程中的装备和支持。 N*Owfr1 N
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2015年四月，整个系统搭乘一个研究火箭经过六分钟的抛物线轨迹飞行到太空，此次是作为瑞典雅斯兰吉航天中心TEXUS项目的部分研究进行的。一旦到达微重力状态，系统会自动启动，并在地面站通过一个低带宽的无线电链路进行控制。 TY=BP! s
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“实验证明，频率梳的功能是作为在384兆赫过渡的光学铷和提供参考的在10兆赫的铯原子钟一种比较分频器，”Lezius说。 Z;_WU
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虽然在演示中使用的光学时钟约是正在如今全球定位系统的卫星上所使用的原子钟精度的十分之一，研究人员已经在着手开发一个新的版本，或将提高几个数量级的精度。 $e! i4pM
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来自太空的全球传感 LV& tu7c
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用频率梳的高度精确的测量可能实现很多有用的应用。例如，基于空间频率梳可以提高全球卫星的温室气体遥感的准确性，并可用于空间引力波探测器。 )h ~MIpWR
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“基于频率梳的应用对于未来天基光学钟、精密测量和地球观测技术等来说都是非常重要的，”Lezius说。“基于频率梳的空间技术正处于一个快速发展的阶段。” Z50 ]g
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研究人员计划在2017年底实现光学时钟的一个改进版本。在该实验中，频率梳模块不会放置在加压的圆顶仓内，这样进行测试其在真空条件下的工作状态，即和一个卫星上的环境相匹配。研究人员还试图进一步提高系统抗恶劣的宇宙辐射的性能，以确保它可以运行在轨道上几年的时间。 XY5I5H_U
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在短短的几年内，Lezius和他的团队研究目标就成了实现一个在空间中合格的频率梳模块，并用于未来空间的任务和多种应用中。他们的目标是实现一个体积约3升，重量几公斤，并有约10瓦的功率消耗的设备。
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