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
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