光学时钟“升天”助力卫星精准导航

光学时钟“升天”助力卫星精准导航
光学时钟“升天”助力卫星精准导航

科学家们对于精准时间的追求从未停止，目前世界上最准的时钟当属光学时钟。虽然早有研究人员提出将光学时钟应用到卫星上，以提升卫星定位的准确程度，但如何保持光学时钟在太空中与地球上一样稳定发挥，一直是争论的焦点。

1小时由60分钟组成，1分钟由60秒组成，那么1秒钟有多长？它是时钟上秒针的一格，也是电子时钟上数字的跳跃，但是1秒钟到底是多久，恐怕并没有多少人知道，也没有多少人关心。

但科学家们对于精准时间的追求从未停止，目前世界上最准的时钟当属光学时钟。虽然早有研究人员提出将光学时钟应用到卫星上，以提升卫星定位的准确程度，但如何保持光学时钟在太空中与地球上一样稳定发挥，一直是争论的焦点。

关键部件或将光学时钟送入太空

近日，在美国光学学会颇具影响力的学术研究期刊Optica上，研究人员公布了一种紧凑型自动激光频率梳系统。它是光学时钟的一个重要组成部分，因为它们像齿轮一样，将光学时钟较快地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。

不过，要想更好地了解这项研究的重要性，首先要清楚光学时钟的原理。目前，光学时钟分为单离子囚禁光钟和冷原子光晶格钟两大类。不论哪种光学时钟，都需要在超高真空环境下，采用激光冷却技术对离子或原子进行减速、冷却，并最终实现磁光阱“囚禁”，随后采用离子阱或光晶格技术实现对离子或原子进行“长期囚禁”，并用激光器对其进行锁定，最终采用飞秒光梳技术实现光学频率和微波频率的相干链接，也就是前文提到的新技术。

简单来说，从形状上看，飞秒光梳很像一把“梳子”，当它被锁模激光器锁定后，便成为了一把可以测量光频率的尺子，每个梳齿即是这把光尺的刻度。光频率梳把光频测量转换成一系列的射频测量，是实现光钟和光频精密测量的一次革命。

中国计量科学研究院时间频率计量研究所所长方占军在接受《中国科学报》记者采访时解释道：“飞秒激光光学频率梳是光钟研究的关键技术之一，它实现了光学频率和微波频率以及不同光学频率之间的相干链接，使得原来极其复杂艰巨的绝对光学频率测量工作变得相对简单。”

因为飞秒光束的复杂性与重要性，在光学时钟的组件中，其体积也比较大。然而此次公布的紧凑型自动激光频率梳系统，大小仅22厘米×14.2厘米，重约22公斤，基于光纤原理制成，因此它可以被安装进卫星，并且可以经受在离开地球时极端的加速度产生的力和温度变化的影响。更重要的是，它的功耗低于70瓦，足以满足卫星设备的要求。

时间与卫星定位更精准

提升时间精度与卫星定位有什么关系呢？方占军解释说：“卫星定位导航与无线电定位导航的原理是一样的，即通过时间测量实现几何距离测量，时间测量的精度也就决定了定位导航的精度。”

一般来说，现在的卫星导航定位系统中都会安装时钟，这些时钟的稳定度决定了定位导航系统的时间测量精度，从而决定了定位导航的精度。目前导航卫星上使用的是铷原子钟和铯原子钟。

“铷钟和铯钟都属于微波原子钟，其天稳定度在10-14~10-15，它限制了卫星定位的精度在米的量级。如果未来用更高稳定度的光钟来替代现在使用的铷钟和铯钟，有可能将卫星定位导航的精度提高到厘米量级。”方占军说，“必须说明的是，要实现厘米量级的定位导航，仅仅在卫星上放置高稳定度的星载光钟是不够的，还需要有更高准确度的星历参数，更精确的电离层、对流层时间延迟修正模型，更精确的星载原子钟校准同步技术等。”

目前，据不完全统计，我国共有8家单位研制7种不同类型的10台光钟。其中在单离子囚禁光钟方向上，中国科学院武汉物理数学研究所正在开展钙（Ca+）离子光钟和铝（Al+）离子光钟研究，华中科技大学正在开展铝（Al+）离子光钟研究；在冷原子光晶格钟方向上，中国计量科学研究院和中科院国家授时中心正在开展锶（Sr）原子光晶格钟研究，华东师范大学和中科院武汉物数所正在开展镱（Yb）原子光晶格钟研究。

2012年中科院武汉物数所完成国内第一台钙（Ca+）离子光钟研制，绝对频率测量数据被CCTF接收，目前的频率不确定度为7×10-17。2015年中国计量科学研究院完成国内第一台锶（Sr）原子光晶格钟研制，绝对频率测量不确定度被CCTF接收，频率不确定度为2.3×10-16。

“不过，目前我国光钟研究和世界先进水平还有很大差距。从2005年开始，光钟研究先后得到了国家科技部‘973’计划、科技支撑计划、自然基金委重大研究计划和2016年开始的国家重点研发专项的支持。”方占军表示。

1秒钟的变迁

虽然在日常生活中，人们对于多一秒或少一秒、早一分钟或晚一分钟的感觉并不强烈，但精准的时间不仅可以实现更高准确度的世界协调时（UTC），而且由于光钟是目前测量准确度最高的物理学实验装置，还可用于检验诸如引力红移等基本物理理论的正确性和基本物理常数是否随时间变化。此外，在相对论中的大地测量领域，科学家通过测量放置在不同地方的两个高准度光钟的频率差，计算得知两地的地球引力势差和海拔高度差，未来实现对地球引力势变化的高精度监测。

不过，在光学时钟的研究过程中，科研人员不仅需要解决飞秒光梳技术难题，还需要解决原子操控、精密激光频率控制、超高真空、精密恒温隔振等关键技术。方占军表示：“这些都是系统装置，且相对复杂，技术难度较大。”

实际上，在光学时钟之前，人类经历了几次对于时间认知的提升。19世纪20年代，法国科学家将秒长定义为基于地球自转周期的平太阳秒，1秒是1个平太阳日的1/86400。这一关于1秒钟的定义一直沿用到1960年。“当时天文观测发现，地球围绕太阳的公转运动比地球的自转运动更稳定，平太阳秒被基于地球公转周期导出的历书秒所替代，1秒是1回归年的1/31556925.9747。”方占军说。

1967年，关于时间的定义被原子钟再次刷新，更为精确的原子秒是基于铯原子中电子能级间的微波跃迁周期来定义，即1秒等于铯133原子中电子基态超精细能级间跃迁的9192631770个周期所持续的时间。

“从平太阳秒到天文秒，再到原子秒，秒长定义所依赖的周期运动的频率从10-5赫兹和10-8赫兹提高到10-10赫兹，时间测量的分辨率大幅提高，秒长定义的复现准确度也相应提高。未来的光钟使用原子中电子能级间的光频跃迁周期来定义秒，其周期运动的频率一般在1014~1015赫兹量级，秒长定义的复现准确度会进一步提高。”方占军表示。

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