可攜式原子鐘:或將減少人類對衛星導航的依賴!

2020-11-25 電子工程專輯

導讀


近日,英國薩塞克斯大學新興光子學實驗室採用尖端的雷射束技術,在原子鐘的關鍵零件方面取得了重要突破。這種原子鐘將減少未來我們對於衛星測圖技術的依賴。


背景


目前,英國依靠美國(GPS)和歐盟(Galileo)的衛星地圖技術,許多人的手機和汽車裡面都集成了這種技術。但是,這種衛星導航技術不僅可能會受到國際政治起伏不定的影響,而且也會受制於衛星信號的可用性。


(圖片來源:維基百科)


英國薩塞克斯大學數學與物理科學學院新興光子學實驗室的博士 Alessia Pasquazi 表示,可攜式原子鐘可以改變上述情況。例如,一輛在隧道中行駛的救護車,仍然可以獲取到地圖;一個往返於上下班途中的人,在地鐵或者沒有手機信號的鄉村,仍然可以規劃路線。可攜式原子鐘將實現極度準確的地理資訊地圖,在沒有衛星信號的情況下,獲取你的位置或者規劃路徑。


光學原子鐘屬於頂尖級的測量器件,每一百億年的誤差不到一秒鐘。目前來說,這些器件很重,達幾百千克。要成為平常人可使用的一個最佳實用功能,其尺寸需要大幅縮小,而大型原子鐘的精度和速度需要被保留。


光學原子鐘(圖片來源:維基百科)


在光學原子鐘中,基準(傳統時鐘中的鐘擺)直接來源於單個囚禁原子的量子特性:它是一束每秒振蕩達數百萬億次的光線的電磁場。光學頻率梳,就是能在這種速度下工作的時鐘計數元件。


光學頻率梳是一種特殊的雷射源,其頻譜由一系列離散的等間距頻率線組成。在頻域上,光學頻率梳表現為具有相等頻率間隔的光學頻率序列。這些頻譜線的分布特性如同我們日常生活中使用的梳子,梳齒之間保持著相等的距離。


光學頻率梳的光譜(圖片來源:維基百科)


微型頻率梳,利用稱為「光學微諧振器」的微型設備,縮小了頻率梳的尺寸。這些設備抓住了全球科學界過去十年來的想像力,有望以一種緊湊的形式實現頻率梳的全部潛力。然而,它們卻是容易受到損傷的設備,操作起來很複雜,而且一般無法滿足實用的原子鐘的需求。


可通過多個頻道大規模並行傳輸數據的光孤子頻率梳(圖片來源: J. N. Kemal/ P. Marin-Palomo/ KIT)


創新


近日,英國薩塞克斯大學新興光子學實驗室(EPic Lab)採用尖端的雷射束技術,在原子鐘的關鍵零件方面取得了重要突破。原子鐘將減少我們未來對於衛星地圖技術的依賴。他們的研發進展極大提升了相當於傳統鐘錶中負責計數的元件的效率,達80%。這一效率正是全世界的科學家們努力爭取實現的。


在晶片中傳播的脈衝的藝術圖(圖片來源:薩塞克斯大學新興光子學實驗室)


3月11日(星期一),新興光子學實驗室的突破性研究發表在《自然光子學(Nature Photonics)》期刊上。他們展示了特別高效且健壯的微型頻率梳,這是基於一種稱為「雷射腔孤子」的獨特的波。


技術


Pasquazi 博士表示:「孤子是特殊的波,這種波對於擾動來說顯得特別健壯。例如,海嘯就是水的孤子。它們可以跨越令人難以置信的距離穩定傳播,在2011年的日本地震之後,它們中的一些甚至達到了遙遠的美國加州海岸。」


(圖片來源:M. J. Ablowitz 和 D. E. Baldwin)


「在 Hualong Bao 博士開展的實驗中,我們採用的是囚禁於晶片上微腔中的光線,而不是水。我們的獨特方案是將晶片插入到一個基於光纖的雷射器中,這種光纖與我們家庭網絡所用的一樣。」


基於雷射腔孤子的微型頻率梳的工作原理(圖片來源:參考資料【2】)


「在這種組合中傳輸的孤子,有利於完全利用微腔的功能生成許多顏色,同時也提供了脈衝雷射控制的健壯性和靈活性。下一步就是將這種基於晶片的技術轉化為光纖技術,這正是我們在薩塞克斯大學有條不紊地去實現的。


價值


薩塞克斯大學新興光子學實驗室教授 Marco Peccianti 補充道:「我們正朝著將我們的器件與薩塞克斯大學教授 Matthias Keller 的研究小組開發的超緊湊的原子基準(或者說鐘擺)集成到一起的目標努力。通過合作,我們計劃開發出能徹底改變我們未來記時方式的可攜式原子鐘。」


「我們的開發代表了朝著製造實用的原子鐘邁出的重要一步,我們對於我們的計劃感到非常振奮,這些計劃包括與英國航天航空工業展開的合作(五年內實現),以及手機、無人駕駛汽車以及無人機中使用的可攜式原子鐘(二十年內實現)。」


關鍵字


原子鐘頻率梳導航無人駕駛雷射


參考資料


【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




了解更多前沿技術,請點擊「閱讀原文」。



相關焦點

  • 專家詳解導航衛星的「心臟」——原子鐘
    原標題:聽不到卻恆久不變的「嘀嗒」聲 專家詳解導航衛星的「心臟」——原子鐘 前不久,中國航天科工集團公司傳來喜訊,該集團二院203所啟動汞離子微波鍾研製。作為新一代原子鐘,它有望應用於下一代北鬥導航衛星。 有人可能會犯迷糊:原子鐘是什麼鍾,跟導航有什麼關係?
  • 歐洲伽利略導航衛星原子鐘現大面積故障
    西媒稱,歐洲航天局18日指出,搭載在歐洲伽利略導航系統18顆衛星上的9個原子鐘出現了故障。但歐洲航天局表示,該衛星導航系統的運行並未受到影響。據西班牙埃菲社1月18日報導,歐洲航天局局長揚·韋爾納在記者會上指出,6個被動型氫微波激射器原子鐘和另外3個銣原子鐘出現了故障,故障原因正在調查。伽利略衛星導航系統上的每顆衛星都配備兩個被動型氫微波激射器原子鐘,其中一個用作產生導航信號的主要參照,另一個當作備用。此外,還配有兩個銣原子鐘。在所有氫原子鐘發生故障時,銣原子鐘作為支援。
  • 專家詳解導航衛星的「心臟」——原子鐘—新聞—科學網
    所啟動汞離子微波鍾研製。 在衛星導航系統中,1納秒(十億分之一秒)的時間誤差將導致0.3米的距離誤差。要實現如此精密的時間測量,只有原子鐘能做到。王文明說,原子鐘是通過原子這一微小量子構件,實現普通鐘錶一般的「嘀嗒」聲。不同的是,這種「嘀嗒」更均勻,表現為一種電磁波形式,通常聽不見,只有通過微波信號處理技術才能輸出。 如何讓原子鐘的精密測量為我們所用?
  • 航天科工集團203所研製出可攜式CPT原子鐘
    CPT原子鐘是目前國內唯一可實現小型化的原子鐘,可實現電池供電長期工作。可攜式原子鐘在自主導航、裝備測控和水下導航等領域具有廣闊的應用前景,對國防建設具有重要意義。
  • 新民晚報數字報-銫原子鐘首次國產化 衛星導航「全國一張網」
    斬獲今年工博會創新金獎的「雷射小型銫原子鐘TA1000」,是我國第一臺銫原子鐘產品,也是國際上第一臺雷射小型銫原子鐘產品。  銫原子鐘是產生國家標準時間的一級原子鐘,廣泛應用於航天測控、數字通信、金融與證券等國家戰略部門,地位舉足輕重。而我國銫原子鐘的研發卻始終受基礎材料和基礎工藝技術等限制,無法工程化生產,長期依賴進口而受制於人。
  • 科學匯|衛星的排兵布陣、星載原子鐘、電磁波頻率……北鬥能夠導航...
    6月23日,北鬥家族最後一顆全球組網衛星成功發射,標誌著我國提前半年全面完成北鬥全球衛星導航系統星座部署。對於北鬥全球導航定位系統,已經有了很多解讀。但為什麼北鬥三代需要35顆星?導航定位的原理究竟又是怎樣的?核心部件之一的星載原子鐘到底是起到什麼作用?為什麼電磁波頻率如此珍貴?
  • 我國成功研製小型可攜式CPT原子鐘—新聞—科學網
    近日,記者從航天科工203所獲悉,該所研製出了基於相干布居囚禁的量子頻標小型可攜式CPT原子鐘,體積約半個煙盒大小。
  • 我國新一代北鬥導航衛星首次搭載氫原子鐘
    203所研製的多個批次星載銣原子鐘已多次跟隨北鬥導航衛星成功發射並穩定可靠運行,此次星載氫原子鐘跟隨新一代導航衛星成功首發,標誌著203所原子鐘研究領域技術水平和研製能力跨上一個新的臺階,真正實現了技術自主化,破除了國外在該領域的關鍵技術封鎖和高端產品及元器件禁運的藩籬。這將直接助推北鬥衛星導航系統總體性能的飛躍,是中國北鬥導航衛星發展史上的一個重要裡程碑。
  • 中國正在研製新一代原子鐘,或用於下一代北鬥導航衛星
    雷鋒網(公眾號:雷鋒網)7月29日消息   據新華社今日報導,記者28日從航天科工集團二院203所獲悉,該所已啟動汞離子微波鍾研製,這種新一代原子鐘,在未來深空探測和衛星導航領域有明顯優勢,有望應用於我國下一代北鬥導航衛星。
  • 購買衛星導航系統原子鐘,交貨期卻等不了,不要了自己搞
    6月23日成功發射了第五十五顆導航衛星,也就是最後一顆全球組網衛星。最終北鬥導航系統順利完成了先國內、再亞太、最後全球覆蓋三步走的戰略,全面完成系統建設。  7月31日我國正式宣布北鬥導航開始提供全球商業服務,9月28日上午,媒體報導交通運輸部已經將南海瓊州海峽的航標遠程監控設備替換工作結束,至此,瓊州海峽航標系統由原來使用的美國GPS數據全部換為了國產北鬥數據信號。
  • 北鬥導航核心原子鐘自主化 精度秒GPS
    9月30日7點13分,長徵三號乙運載火箭成功將1顆新一代北鬥導航衛星發射升空,而這已經是第4顆被送上天的新一代北鬥導航衛星了。之前的資料顯示,新一代北鬥導航衛星最大的特點是將國產率提高到98%,不光有國產處理器,還有航天科工二院203所研製的星載氫原子鐘。
  • 你知道原子鐘嗎?為什麼NASA將原子鐘送入太空
    6月22日,美國宇航局將在SpaceX獵鷹重型火箭上向太空發射一個足球大小的原子鐘(儘管要比足球重得多)。這個時鐘不是用來報時的,它是一個時鐘的技術演示,這個時鐘可能用於未來的太空探索,既可以導航,也可以測量重力。如果成功,它將成為太空中有史以來最精確的原子鐘。
  • NASA將於今晚發射深空原子鐘:這個原子鐘有什麼了不起?
    ,它將測試用於深空導航的新技術。(圖片:©NASA)美國宇航局將於今天(6月24日)使用獵鷹重型運載火箭將一個令人難以置信的新原子鐘送入軌道,這是一項可能會改變人類探索太空方式的技術演示任務。該深空原子鐘由美國宇航局噴氣推進實驗室開發,是對我們在地球上使用的原子鐘以及已經在GPS衛星上使用的原子鐘的太空升級版本。
  • 北鬥系統第54顆導航衛星成功發射 搭載的原子鐘等都是「西安造」
    2020年3月9日19時55分,第54顆北鬥導航衛星在西昌衛星發射中心成功發射。這是在舉國抗擊新冠肺炎疫情的關鍵時刻,又一個來自中國航天的振奮人心的消息。位於西安航天產業基地的航天五院西安分院為該衛星提供了導航分系統、天線分系統、轉發器分系統等有效載荷產品。
  • 追逐時間的機器——原子鐘
    NASA原子鐘的藝術插畫,原子鐘「深空」被用來測試外太空導航的新技術 有了深空的加持,航空器在長途跋涉時會更加獨立,減少對地球基站的信息依賴,從而更方便的去到宇宙的深處。原子鐘的作用原子鐘可以極其精準的度量時間,在航空通信方面有廣泛的應用,例如日常給我們提供 GPS 信號的衛星上就搭載了原子鐘。
  • 衛星導航原理,北鬥導航到底如何?
    ①1994年,中國決定啟動北鬥一號工程,進行試驗探索,該階段以2000年成功發射2顆地球靜止軌道衛星為結束。北鬥一號也稱為北鬥衛星導航試驗系統,採用的是比較落後的有源區域衛星定位系統。該系統在進行定位解算時需要用戶發送請求給衛星,然後由地面控制中心完成全部的計算任務,將用戶需要的數據傳回給用戶。北鬥一號共4顆衛星。
  • 我國下月將發射世界首顆脈衝星導航衛星 星際飛行將永不迷航
    《環球時報》13日從中國航天科技集團第五研究院獲悉,中國下月將擇機發射世界首顆脈衝星導航試驗衛星,以搶佔航天前沿技術戰略制高點。航天科技集團五院脈衝星導航試驗衛星科學任務系統總設計師帥平介紹說,聽起來有些生僻的「脈衝星」,其實是死亡恆星的一種遺骸。它的密度極大,每立方釐米的脈衝星質量高達10億噸,同時它又在高速旋轉,每秒可自轉上千次。
  • 歐洲伽利略導航故障頻發,曾將中國擠出局,逼北鬥搞出尖端原子鐘
    作為歐洲的面子工程,這並不是伽利略導航第一次出現故障,2019年7月伽利略導航就全線癱瘓停擺,衛星定位服務中斷長達一周。近四年來伽利略導航系統就趴窩三次,系統故障、時間異常和服務降級,這些問題從2016年歐盟宣布伽利略開始提供導航定位服務以來,就一直常伴左右,而這些又和一個叫原子鐘的設備息息相關,這也是歐空局將中國航天踢出伽利略導航後,自食惡果的直接體現。
  • 為什麼北鬥三號衛星採用新一代原子鐘後,定位精度能提升10倍?
    原子鐘如同衛星的心臟,離開原子鐘,衛星的定位功能將毫無實義。為什麼這麼說?當我們在地面拿著一部手機,之所以可以通過GPS、北鬥等導航系統獲得自己準確的位置,主要就是依賴手機內置的導航模塊。運行在地球上空軌道的導航衛星,時刻不停地會向地面發送自己的位置坐標。手機導航模塊接收到衛星的信號後,通過換算,可以獲得手機所在點的準確坐標。具體是怎麼算出來的?
  • 為什麼北鬥三號衛星採用新一代原子鐘後,定位精度能提升10倍?
    原子鐘如同衛星的心臟,離開原子鐘,衛星的定位功能將毫無實義。為什麼這麼說?當我們在地面拿著一部手機,之所以可以通過GPS、北鬥等導航系統獲得自己準確的位置,主要就是依賴手機內置的導航模塊。運行在地球上空軌道的導航衛星,時刻不停地會向地面發送自己的位置坐標。