2024 年 7 月 23 日

 

• DLR 雷射時鐘達到了世界上光學時鐘精度的最高水平。它們的偏差相當於三千萬年一秒。
• 雷射時鐘旨在改善衛星導航並提供精確的全球時間訊號。
• 從 2027 年起，DLR 將在國際太空站 (ISS) 上測試雷射時鐘。
• 焦點：太空旅行、量子技術

 

德國航空航天中心 (DLR) 的新型雷射時鐘達到了氣體電池光學時鐘精度的峰值。三千萬年後，它只會出錯一秒鐘。碘分子的量子特性決定了雷射時鐘的速度。

未來，空間相容的雷射時鐘將有助於厘米級精度的衛星導航，並提供全球時間標準。他們承諾在全球通訊、網路移動、自動駕駛、貿易和物流領域提供更強大的資料傳輸新方法。

DLR 目前正在COMPASSO專案中開發和建構空間相容的雷射時鐘。從 2027 年開始，這將在國際太空站 (ISS)上進行測試，以在衛星上使用光學時鐘。

 

時間不等於時間

當被問到什麼是時間時，阿爾伯特愛因斯坦曾經說過：「時間就是你在時鐘上讀到的時間。」這取決於時鐘的準確性。衛星導航、網路、地球觀測或金融工作的好壞也取決於資料傳輸所需時間的精確程度。衛星時鐘提供時間訊號，可用於確定地球上的位置或同步通訊網路。

未來，適用於太空的雷射時鐘可以提供更準確的時間信息，使衛星通訊和導航服務更加高效和精確。由於時脈頻率較高，雷射光學時鐘比目前基於微波的衛星時鐘精確約一百倍。

 

雷射手錶實現最高價值

憑藉其在太空旅行量子技術方面的領先專業知識，DLR 在 COMPASSO 專案中開發了高精度雷射時鐘。 「它每天與所謂的世界時的偏差不到 100 皮秒。皮秒是百萬分之一秒的百萬分之一。這種偏差相當於每 3000 萬年一秒。 “因此，我們正在縮小傳統衛星時鐘與國家計量機構設定世界時間的大型、重型、高端原子鐘之間的精度差距。”

量子物理學設定了雷射時鐘的節奏。為此，將雷射的波長調諧到氣室中碘分子的特定振動。這種振蕩的時間只取決於碘的量子力學性質。透過這種獨立於設備的參考，可以實現光學時鐘的高精度。

在德國航太中心通訊與導航研究所的時鐘實驗室，德國航太中心的研究人員進一步將雷射時鐘發展到目前的精度水平，並將其與另一種精密時鐘（即所謂的氫脈澤）進行了比較。這是微波範圍內的一種雷射。 「透過疊加兩個時鐘的時間訊號，我們可以像秒錶一樣計算雷射時鐘的各個節拍。它們以 10 兆赫茲的頻率相互跟隨，即每秒 1000 萬個週期，」Claus Braxmaier 解釋道。 「這使我們能夠確定雷射手錶的準確度和精確度。時鐘越精確，它的節奏就越一致。準確度表示你的時鐘在一定時間後偏離目標值的程度。

 

雷射時鐘具有全球精度

COMPASSO計畫的目標是開發未來衛星導航的關鍵光學技術。 “我們的願景是利用雷射時鐘的高精度提供全球可用的時間資訊。這將使在全球範圍內實現統一、精確的時間標準成為可能。

「新一代高精度、太空就緒雷射時鐘將顯著提高衛星技術的性能，」博士解釋道。來自 DLR 伽利略能力中心的 Stefan Schlüter。 「重要領域包括自動駕駛、電信、災難控制和金融部門。」雷射光學時鐘的準確性和更高的時鐘頻率也應該能夠實現更強大的具有更高數據速率的通訊網路。

 

前往國際太空站的途中

DLR 量子技術研究所目前正在開發適合太空的雷射時鐘版本，計劃於 2027 年發射到國際太空站 (ISS)。為了在太空中使用，手錶必須特別輕巧、緊湊、堅固且可靠。在實際運作中，衛星時鐘必須自主無故障運作至少15年。

「我們希望在國際太空站的歐洲巴托洛梅奧平台上測試我們的雷射手錶的飛行模型。在這個室外實驗室中，手錶暴露在典型的空間條件下。它必須在真空中完美運行，無論是在陽光直射的情況下，還是在深冷空間中的地球陰影下（無法直接進入的情況下），」克勞斯·布拉克斯邁爾（Claus Braxmaier）解釋道。 「挑戰在於使裝有碘氣的蒸汽室保持在 20 攝氏度的恆定溫度 - 無論是在陽光下還是在陰涼處。恆溫對於手錶的高精度來說非常重要。我們想證明我們的雷射手錶適用於下一代歐洲衛星導航系統伽利略。

雷射鐘的組件仍然在實驗室的桌子上組裝。下一步，研究團隊必須盡可能緊湊地組裝手錶，以便所有東西都能裝進兩個鞋盒的大小。此雷射系統包含溫度特別穩定且耐老化的材料，例如 Zerodur 玻璃。高度穩定的輕質結構確保腕錶能夠承受火箭發射過程中出現的振動和力量。空間中沒有任何東西可以扭曲，因此雷射的波長對於精確的時間訊號保持恆定。 「雷射手錶的組件已經成功通過了多項壓力測試，例如在探空火箭或落塔中的測試，」博士說。來自 DLR 量子技術研究所的 Thilo Schuldt。

 

迷你雷射鐘開闢新應用

使用氣體電池作為時鐘產生器的手錶技術還有另一個優點：它可以做得更小。雷射手錶的尺寸與智慧型手機一樣精確，開啟了全新的應用和經濟前景。

例如，交通中配備迷你雷射手錶的車輛或城市中的送貨無人機可以與通用導航管理系統聯網。有了這些有關交通流量的信息，可以提高效率和安全性。 「與加速度感測器結合，機載雷射時鐘還可以輕鬆克服衛星接收不良或中斷的問題。即使在困難的導航條件下，例如在房屋之間或隧道中，時鐘的高信號穩定性也為計算精確位置數據奠定了基礎。斯特凡·施呂特.

 

雷射手錶如何走時？

正如落地鐘中的擺錘設定時鐘一樣，COMPASSO 時鐘中的時鐘由所謂的碘穩定雷射提供時鐘。為此，雷射光束中有一個約 20 公分長的氣室，其中含有碘分子，可作為自然時間參考。綠色雷射的波長根據碘分子原子核的特定振動進行調節。這種振蕩的頻率由碘的量子力學性質決定。這意味著時間基準與設備無關，從而保證了雷射時鐘的高精度。

為了產生標準化時間訊號，來自碘穩定雷射的綠光與所謂的頻率梳雷射的雷射脈衝疊加。其光譜包括多達一百萬種顏色。相關的光頻率就像梳子的齒彼此之間的距離完全相同，相當於一把尺。就像用音叉調音樂器一樣，透過測量兩束疊加雷射光束的強度來產生標準化時脈訊號。這是在 10 兆赫茲的無線電頻率範圍內。

 

[照片]

(A) 雷射時鐘旨在使衛星導航更加精確並提供全球一致的時間訊號。

未來，衛星雷射時鐘發出的高精度時間訊號可以有助於公分級精度的定位和更有效率的全球資料傳輸。

(B) 雷射時鐘改善了衛星服務的應用。

為了在太空中使用，DLR 將從 2027 年起在國際太空站 (ISS) 上測試一款相容太空的雷射手錶。

(C) DLR 雷射時鐘比現今的衛星時鐘精確一百倍。

雷射時鐘可用於歐洲伽利略衛星導航系統的下一代之一。

(D) 蒸氣室中的碘分子決定了雷射光學鐘的速度。

在雷射的幫助下，光學時鐘被調諧到量子物理學給出的碘分子的振動。當雷射和碘分子的選定振動發生共振時，它們會發出綠光。