美利用雷射脈衝傳輸時間信號 精度與原子鐘相當

2020-11-25 OFweek維科網

　　——美國國家標準與技術研究院（NIST）研究人員利用鏡面反射雷射脈衝，成功在野外傳輸超精確時間信號，其精度與最精確的下一代原子鐘相當。

　　本次試驗成果已發布在英國的《自然光子學》雜誌上，驗證了處於不同地理空間的下一代原子鐘可以實現無線聯接，從而改進大地測量（高度繪圖）、時間和頻率信息的分發、衛星導航、雷達陣列，以及其他應用。

　　此前這類時鐘信息是通過光纖傳輸的，而通過無線信道傳輸具有更好的靈活性，為實現地面與衛星之間傳輸提供了可能性。

　　工作頻率是確保光學原子鐘精度的最重要因素之一。為實現未來原子鐘精度提高100倍，工作頻率要確保信號在傳輸過程中損失精度儘可能小。

　　此次信號傳輸驗證是通過室外雙向無線鏈路，使用兩個雷射頻率梳完成的。頻率梳通過生成一束帶有間隔超短波光學脈衝穩恆流與光學原子鐘實現完美同步。

　　試驗過程中，兩個頻率梳與一個穩定光學共振器進行同步，穩定光學共振器在試驗中充當光學原子鐘的角色。NIST在其園區內發射雷射脈衝射向NIST園區後小山上的鏡面，並反射回另一個地點，脈衝總行程為2千米。

　　研究人員對雷射脈衝反射前後兩次行進時間進行測量，累計時間差和頻率不穩定性接近無窮小，僅為一千萬億分之一秒/小時，足以傳輸光學原子鐘信號。

　　此傳輸技術克服了無線信號傳輸中的很多典型問題，如大氣擾動現象（因為傳輸是雙向的，大氣擾動造成的幹擾正好抵消），還可克服由於障礙物阻擋傳輸路徑引起的信號損失。理論上講，該技術可用於更遠距離的信號傳輸，甚至可以作為額外的授時頻道用於未來的地面-衛星光通信鏈路，

　　試驗中使用的頻率梳將有可能實現便攜化。這項研究的資金有一部分來自美國國防先期研究計劃局。

相關焦點

  • 原子鐘讓計時精度走向極限
    同一種原子的電磁波特徵頻率是一定的，可用作一種節拍器來保持高度精確的時間。原子鐘就是利用保持與原子的電磁波特徵頻率同步作為產生時間脈衝的節拍器。2020年底，《自然》雜誌刊載了一篇來自美國麻省理工學院研究人員的成果報導，這些研究人員利用量子糾纏現象新設計出一種原子鐘，如果運行約140億年（大約是當前宇宙的年齡），該原子鐘可將時間精度保持在十分之一秒之內。
  • 時間都去哪了?雷射促使原子鐘更進一步
    隨著社會發展的需求，對時鐘精度的要求越來越高，於是石英鐘應運而生，它是通過石英鐘內部穩定的石英振蕩器來計時的。隨著科技發展的要求，以及人類對精密測量的執著追求，石英鐘逐漸不能滿足要求，逐漸被精度高於它的鐘所代替，例如原子鐘。　　原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波來計時。
  • 脈衝星導航,精度10米?別逗了!
    對於飛行器而言，如果有一座雷達，就可以通過雷達發射的電磁波的反射時間來計算出飛行器和雷達的距離；再通過電磁波頻率的都卜勒移動計算出飛行器沿著雷達視線方向的速度。利用三臺放置在不同地點的雷達，分別測量出飛行器相對於每臺雷達的距離和速度，就可以利用幾何學計算出飛行器的三維位置和速度。雷達的數量越多，位置越分散，定位的精度便越好。
  • 原子鐘讓計時精度走向極限 由「天文秒」時代進入「原子秒」時代
    同一種原子的電磁波特徵頻率是一定的，可用作一種節拍器來保持高度精確的時間。原子鐘就是利用保持與原子的電磁波特徵頻率同步作為產生時間脈衝的節拍器。2020年底，《自然》雜誌刊載了一篇來自美國麻省理工學院研究人員的成果報導，這些研究人員利用量子糾纏現象新設計出一種原子鐘，如果運行約140億年(大約是當前宇宙的年齡)，該原子鐘可將時間精度保持在十分之一秒之內。
  • 140億年內誤差不超過1/10秒原子鐘讓計時精度走向極限
    原標題：140億年內誤差不超過1/10秒原子鐘讓計時精度走向極限根據原子物理學的基本原理，當原子從一個能量態躍遷至低的能量態時，它便會釋放電磁波。同一種原子的電磁波特徵頻率是一定的，可用作一種節拍器來保持高度精確的時間。原子鐘就是利用保持與原子的電磁波特徵頻率同步作為產生時間脈衝的節拍器。
  • 140億年內誤差不超過1/10秒 原子鐘讓計時精度走向極限
    同一種原子的電磁波特徵頻率是一定的，可用作一種節拍器來保持高度精確的時間。　　原子鐘就是利用保持與原子的電磁波特徵頻率同步作為產生時間脈衝的節拍器。　　2020年底，《自然》雜誌刊載了一篇來自美國麻省理工學院研究人員的成果報導，這些研究人員利用量子糾纏現象新設計出一種原子鐘，如果運行約140億年（大約是當前宇宙的年齡），該原子鐘可將時間精度保持在十分之一秒之內。
  • 上海光機所在脈衝光抽運原子鐘研究領域取得進展
    近期，中國科學院上海光學精密機械研究所量子光學實驗室副研究員鄧見遼領銜的脈衝光抽運（POP）原子鐘小組，在中科院院士王育竹開創的光抽運氣泡原子鐘研究基礎上，在POP原子鐘中長期頻率穩定度優化方面取得新進展，相關成果作為編輯精選文章發表於《科學儀器評論》（Review of Scientific
  • 雷射冷卻原子鐘登上天宮二號
    其中，由中科院上海光機所研製的「定時神針」——空間冷原子鐘，有望實現約3000萬年誤差１秒的超高精度，作為國際上首臺在軌運行並開展科學實驗的空間冷原子鐘，這將是也是目前在空間運行的最高精度原子鐘。那麼，究竟空間冷原子鐘與地面上的一般的冷原子鐘有什麼不同呢？空間冷原子鐘是在地面噴泉原子鐘的基礎上發展而來。
  • 可攜式原子鐘:或將減少人類對衛星導航的依賴!
    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。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。
  • 冷原子鐘把太空時間計量精度提高1—2個數量級
    世界首臺太空運行的冷原子鐘已在軌近兩年時間。記者從中科院獲悉，這臺3000萬年誤差小於1秒的冷原子鐘運行正常，將目前人類在太空的時間計量精度提高了1—2個數量級。相關成果作為亮點文章於7月24日在線發表在《自然·通訊》上。
  • 脈衝信號長線傳輸的傳輸特性及原理解析
    隨著脈衝信號頻率的越來越高及信號跳變沿（上升沿和下降沿）的越來越短，對脈衝信號傳輸完整性的分析就變的越來越重要。如何保證脈衝信號傳輸的完整性，減少信號在傳輸過程中產生的反射和失真，已成為當前高速電路設計中不可忽視的問題。 對脈衝信號傳輸幾十米或者上百米距離的情況，根據高速電路設計理論引入了長線傳輸的概念，並對脈衝信號的傳輸特性進行了分析。
  • 如何利用示波器測試低佔空比脈衝信號
    高速信號在提升電子設備性能的的同時，也為檢定和調試的設計工程師帶來了很多問題。在這些問題中，一類典型的例子是偶發性或間歇性的事件以及一些低佔空比的信號，如雷射脈衝或亞穩定性，低佔空比雷達脈衝等等。這些事件很難識別和檢定，要求測試設備同時提供高採樣率和超強的數據捕獲能力。這對示波器性能提出了極高的要求。
  • 量子力學在計時領域的應用 原子鐘的運用
    拉比設想原子在穿越振動的電磁場的時候，在某種條件之下會導致電子的躍遷，原子鐘就是利用共振的電磁場的頻率作為節拍器來產生時間的脈衝。在1949年，拉比的學生洛曼拉姆齊提出原子兩次經過振動的電磁場結果可以產生更加精確的時鐘，在1989年還因此獲得了諾貝爾物理學獎。看來利用原子來記錄時間的條件已經滿足了。那麼第二個接觸器能否被滿足呢？
  • 科學家將利用原子鐘測量地球內部結構
    鳳凰科技訊 北京時間11月14日消息國外媒體報導，近日蘇黎世大學一支國際科學家小組聲稱可以利用原子鐘解決地球上的結構問題，例如發現礦藏或者隱蔽的水資源。　　利用原子鐘測定地球大地水準面是基於廣義相對論的概念。原子鐘與沉重天體，諸如地球，的不同距離會導致它的運轉速率也不盡相同。原子鐘距離沉重的地下結構越近，它運轉的時間越慢——位於鐵礦石上的鐘可能比位於空洞穴的鐘轉的更慢。
  • 中科院上海光機所脈衝光抽運原子鐘研究獲新進展—新聞—科學網
    中國科學院上海光學精密機械研究所在王育竹院士開創的光抽運（POP）氣泡原子鐘研究基礎上，在POP原子鐘中長期頻率穩定度優化方面獲重要進展。
  • 銫原子鐘的實驗室:一秒有多長?
    天文觀測、量子力學的研究都離不開精準的時間，我們生活中常用的全球定位系統（GPS）也依賴它，哪怕只是慢了一眨眼的時間，都會帶來數萬公裡的誤差。　　早在19世紀70年代，麥克斯韋和開爾文就提出可以利用原子能級躍遷精準地計量時間，但直到80年後，世界上第一臺原子鐘才問世。又經過10年發展，原子鐘的精度才全面超過石英鐘。
  • 新型原子鐘有望重新定義「千克」單位
    我們使用的大多數單位，都是以精密的微觀測量為基礎的——比如1秒鐘的時間長度，就是用特定原子的某種規則振蕩來定義的。唯一的例外是質量的基本單位——千克，它是由保存在巴黎一個地下室中的一塊由鉑銥合金構成的圓柱體定義的。當然，還有一定數量被認為是一模一樣的複製品分布在世界各地。
  • 最精確原子鐘:150億年偏差不超1秒
    原子鐘，可以說是有史以來最精確的時鐘設備，它利用原子內部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波作為標準，去控制校準電子振蕩器，進而控制鐘的走動。這種鐘的穩定程度很高，最好的銫原子鐘達到2000萬年才相差1秒的精度。我們腕上的手錶典可以保證一周之內不差一秒，我們對這個精度已經很滿意了，而現代原子鐘的目標測量精度，是要求在整個宇宙壽命期間都不會偏差一秒。
  • 新型超精密光學原子鐘已通過關鍵測試!
    這項新研究發表在《Optica》上，光學時鐘可能具有更高的精度，可能比我們在研究這項工作中測量到的精度高10到100倍。要證明這些時鐘的真正準確性，而不受目前秒的定義限制，就需要直接在各種類型的光學時鐘之間進行高質量比較。為什麼要使用光學原子鐘？時鐘工作原理是計算具有已知頻率的重複事件，如鐘擺的擺動。
  • 日本理光開發出超微型原子鐘,功耗超低精度不減
    以前原子鐘的大小，是由能向原子發射微波的共振器的大小所決定的。而共振器的尺寸，至少也會有數百立方釐米以上。因此縮減原子鐘尺寸的首要任務，就是將共振器的尺寸縮小。在這一點上，研究人員發現，利用Coherent Population Trapping（簡稱CPT，相干布居囚禁），可以簡單地通過用微波調整後的雷射照射原子，獲取精確地微波頻率，作為原子鐘的時間基準。利用這種方法，可以使原子鐘的尺寸下降一個數量級之多。然而，因為原子鐘的構成要素例如頻率合成器和用於驅動雷射器的驅動電路都要求具有極高的精度，因而功耗常常高達mW。