В журнале оптических исследований Optica исследователи сообщают о новой компактной, надежной и автоматизированной лазерной системе с гребенчатой ??гребенкой, которая сыграла ключевую роль в работе космических оптических часов. Частотные гребенки — это «шестерни», необходимые для работы часов, работающих на оптических частотах.
«Наше устройство представляет собой краеугольный камень в развитии будущих космических прецизионных часов и метрологии», — сказал Маттиас Лезиус из Menlo Systems GmbH, первый автор статьи. «Оптические часы работали в космосе так же, как и на земле, показывая, что наша системная инженерия работает очень хорошо».Использование времени для определения местоположения
Телефоны и другие устройства с поддержкой GPS определяют ваше местоположение на Земле, связываясь как минимум с четырьмя спутниками с атомными часами. Каждый из этих спутников имеет отметку времени, и система вычисляет ваше местоположение на основе относительной разницы между этими временами.
Атомные часы, используемые на сегодняшних спутниках, основаны на собственных колебаниях атома цезия — частоте в микроволновой области электромагнитного спектра.В оптических часах используются атомы или ионы, которые колеблются примерно в 100000 раз выше, чем микроволновые частоты, в оптической или видимой части электромагнитного спектра.
Более высокие частоты означают, что оптические часы «тикают» быстрее, чем микроволновые атомные часы, и, таким образом, могут предоставлять метки времени, которые в 100–1000 раз точнее, что значительно повышает точность GPS.Частотные гребенки являются важным компонентом оптических часов, потому что они действуют как шестеренки, разделяя более быстрые колебания оптических часов на более низкие частоты, которые необходимо подсчитать и связать с эталонными атомными часами на основе микроволн. Другими словами, частотные гребенки позволяют точно измерять оптические колебания и использовать их для определения времени.
До недавнего времени частотные гребенки были очень большими, сложными устройствами, которые можно было найти только в лабораториях. Лезиус и его команда в Menlo Systems, дочерней компании нобелевского лауреата Т.В.
Группа Ханса из Института квантовой оптики Макса Планка разработала полностью автоматизированную оптическую частотную гребенку размером всего 22 на 14,2 сантиметра и весом 22 килограмма.Новая частотная гребенка основана на оптических волокнах, что делает ее достаточно прочной, чтобы преодолевать экстремальные ускоряющие силы и температурные изменения, возникающие при покидании Земли. Его потребляемая мощность ниже 70 Вт, что вполне соответствует требованиям для спутниковых устройств.Путешествие в космос
Исследователи объединили свою новую частотную гребенку с атомными цезиевыми часами для справки и рубидиевыми оптическими часами, разработанными исследовательскими группами из Института Фердинанда Брауна в Берлине и Университета Гумбольда в Берлине, а также группой из Гамбургского университета, которая недавно переехала в Университет Майнца. Airbus Defense Space GmbH участвовала в создании, сопряжении и интеграции модуля полезной нагрузки, отправившегося в космос, а также обеспечивала поддержку и оборудование во время полета.В апреле 2015 года вся система была запущена на исследовательской ракете для 6-минутного параболического полета в космос в рамках программы TEXUS, запускаемой из космического центра Esrange в Швеции.
После достижения микрогравитации система автоматически запускала измерения и управлялась с наземной станции через радиоканал с низкой пропускной способностью.«Эксперимент продемонстрировал функциональность гребенки в качестве сравнительного делителя частоты между оптическим рубидиевым переходом на частоте 384 ТГц и цезиевыми часами, обеспечивающими эталонную частоту 10 МГц», — сказал Лезиус.
Хотя оптические часы, использованные в демонстрации, имели точность примерно в десять раз меньше атомных часов, используемых сегодня на спутниках GPS, исследователи уже работают над новой версией, которая повысит точность на несколько порядков.Глобальное зондирование из космосаВысокоточные измерения, которые стали возможны с помощью частотных гребенок, могут быть полезны для многих приложений. Например, частотные гребенки космического базирования могут повысить точность глобального дистанционного зондирования парниковых газов со спутников и могут использоваться для космических детекторов гравитационных волн.
«Приложения, основанные на частотных гребенках, очень важны для будущих космических оптических часов, прецизионной метрологии и методов наблюдения Земли», — сказал Лезиус. «Готовность частотных гребенок к космической технике развивается быстрыми темпами».Исследователи планируют запустить улучшенную версию оптических часов в космос в конце 2017 года. В этом эксперименте модуль частотной гребенки не будет летать под герметичным куполом, чтобы проверить, насколько хорошо он работает в условиях вакуума, которые могут быть испытал на спутнике.
Исследователи также стремятся улучшить устойчивость системы к суровому космическому излучению, чтобы гарантировать, что она сможет работать на орбите в течение нескольких лет.В течение нескольких лет Лезиус и его команда стремятся получить пригодный для использования в космосе частотный гребенчатый модуль, который космическое сообщество сможет использовать в будущих миссиях и приложениях.
Они нацелены на устройство объемом около 3 литров, которое весит несколько килограммов и потребляет около 10 Вт энергии.