Оптические часы, принцип действия

Что такое оптические часы?

"Оптические часы - это часы, выходные данные которых получены из оптического стандарта частоты..."

Поезные статьи:

Оптика, виды, описание

Оптические датчики, виды, принцип работы

Все статьи

Такой эталон основан на атомах или ионах, которые хранятся в оптической ловушке и подвергаются лазерному охлаждению для подавления доплеровского расширения. Их частота перехода измеряется с помощью лазера со стабилизированной частотой, частота излучения которого точно привязана к атомному переходу. 

Эта сверхстабильная оптическая частота слишком высока для электронного подсчета циклов колебаний. Тем не менее, это может быть точно связано с более низкими (микроволновыми) частотами с помощью какого-либо оптического часового механизма, который в настоящее время обычно основан на частотной гребенке, как объяснено ниже. 

Полученное соотношение между оптическими и микроволновыми частотами является высокоточным, обычно не допускающим никаких фазовых сдвигов.

Оптические часы могут обеспечить чрезвычайно высокую точность и стабильность частоты, намного превосходящую производительность лучших атомных часов с цезием. В качестве его выходного сигнала можно использовать стабилизированную микроволновую частоту, стабильную частоту лазера или любую из спектральных линий генерируемой частотной гребенки. 

Все эти частоты отличаются высокой стабильностью, но оптические частоты более полезны в том смысле, что точные сравнения частот могут быть выполнены за гораздо более короткое время измерения для таких высоких частот.

Оптические часы спользуются в таких сисетемах как GPS и ГЛОНАСС, помогают определить положения спутников, баллистических ракет, самолетов, кораблей, "умных" автомобилей и техники.

Стандарты оптической частоты

Стандарты частоты - это устройства для получения или зондирования частот. Среди всех физических величин частота (или время) является той, которая может быть измерена с наибольшей точностью. 

Стандарты оптической частоты относятся к оптическим частотам и требуются, например, для оптических часов, а также для оптоволоконной связи. По существу, всегда обеспечивают лазерное излучение от тщательно стабилизированных по частоте лазеров или используются для стабилизации частоты этого лазерного излучения.

Активные стандарты частоты

Активный стандарт оптической частоты - это своего рода лазерный источник, излучающий свет с очень четко определенной и известной оптической частотой, или иногда набор из нескольких или даже многих четко определенных компонентов оптической частоты в частотной гребенке. 

В сочетании с оптическим часовым механизмом такой стандарт частоты может составить основу оптических часов. Существуют и другие области применения сверхточных оптических стандартов частоты, как в фундаментальной науке, так и в практической технологии, например, высокоточная лазерная спектроскопия, системы глобального позиционирования, тесты теории относительности и обнаружение гравитационных волн.

Пассивные стандарты частоты

Пассивный оптический стандарт частоты - это пассивное устройство с четко определенной частотной характеристикой, которое может быть использовано для построения активного стандарта. 

Важными примерами являются опорные резонаторы высокой добротностью и такие устройства, как многопроходные газовые ячейки для зондирования определенных оптических переходов. 

Оптические часовые механизмы

В первые годы существования оптических часов серьезной проблемой было соотнести стабильную оптическую частоту со стандартом микроволновой частоты, таким как атомные часы цезия: требуемые оптические часовые механизмы, в то время реализованные в виде частотных цепей, были очень сложными в изготовлении и были применимы только к определенным изолированным оптическим частотам. 

Однако, начиная с 1999 года, на основе частотных гребенок фемтосекундных лазеров с синхронизацией режимов были реализованы гораздо более простые и универсальные, но при этом столь же точные оптические часовые механизмы.

По аналогии с механическим часовым механизмом, оптический часовой механизм представляет собой устройство, которое фазово-когерентно связывает высокую и низкую частоты и может служить центральным элементом оптических часов. 

Более высокая частота является оптической частотой, то есть обычно находится в диапазоне сотен терагерц, тогда как более низкая частота обычно находится в области микроволнового излучения (например, от 1 до 100 ГГц), так что ее можно обрабатывать с помощью быстродействующей электроники и легко соотносить с еще более низкими частотами. Таким образом, оптический часовой механизм может соотносить оптический стандарт частоты с электронным, последний основан, например, на атомных часах цезия.

Ранние оптические часовые механизмы представляли собой частотные цепочки, которые включали сложную комбинацию многих нелинейных каскадов. Каждый из этих этапов связывал некоторую частоту с определенным кратным этой частоте, часто всего в два раза более низкой частотой, или с некоторым известным смещением частоты. Такие частотные цепи было довольно сложно и дорого настроить и стабильно эксплуатировать в течение длительного времени.

Появлением очень широкополосный режим-locked лазеров сделало возможным реализовать намного проще оптический часовых механизмов, в качестве выхода из такого лазера является частотной гребенки, где все частоты, происходящих определяются только двумя параметрами: частота следования импульсов и несущей и ограждающей смещения частоты. 

Оптическая частота из некоторого стандарта частоты (например, одиночного иона в ловушке Пола) затем может быть выражена суммой частоты смещения огибающей несущей, определенного целого числа, кратного частоте повторения импульсов, и частоты биений, которые все могут быть измерены и обработаны с помощью быстрой электроники. 

Таким образом, можно фазово-когерентно сравнивать частоты оптического стандарта и часов cesium и корректировать сигнал синхронизации последнего, используя превосходную стабильность оптического стандарта частоты.  

Сравнение со стандартами микроволновой частоты

Оптические часы представляют интерес не только для измерения оптических частот, но и для общего хронометража, где требуется предельная точность. По сравнению с микроволновыми стандартами, такими как атомные часы цезия, они обладают следующими ключевыми преимуществами:

• Существуют определенные атомы и ионы с чрезвычайно четко определенными тактовыми переходами (запрещенными переходами), которые обещают более высокую точность и стабильность, чем лучшие микроволновые атомные часы. Ожидаемая (но еще не продемонстрированная) относительная неопределенность частоты атомных оптических часов с использованием электронных переходов составляет порядка 10^-18 при достаточно длительном времени усреднения (возможно, несколько дней). Возможно, даже станет возможным использовать определенные низкоэнергетические ядерные переходы, чтобы достичь уровня 10^-19.
• Высокие оптические частоты сами по себе имеют большое значение, поскольку они позволяют проводить точные сравнения часов за гораздо более короткое время. Например, точность 10^-15 может быть достигнута за несколько секунд, если сравниваемые частоты находятся в оптическом диапазоне (сотни терагерц), тогда как для микроволновых часов потребовался бы порядка целого дня.
• Оптические сигналы можно легко передавать на большие расстояния с помощью оптических волокон. Возможно даже получить очень точное сравнение времени между разными часами в разных положениях, используя передачу оптической частоты по волоконно-оптическим линиям. По сравнению с волокнами, микроволновые кабели дороже и имеют гораздо более высокие потери, и поэтому технически намного более ограничены.

Следовательно, следует ожидать, что в недалеком будущем цезиевые часы в качестве основного отсчета времени будут заменены оптическими часами, хотя пока неясно, какой тип оптических часов будет использоваться в качестве такого стандарта. 

Решетчатые часы кажутся хорошим кандидатом, но лучший выбор конкретного тактового атома не очевиден. Определение секунды затем будет изменено для обозначения оптической частоты, а не микроволновой частоты. Однако даже после этого глубокого изменения цезиевые часы (и другие неоптические атомные часы, такие как рубидиевые часы) будут продолжать играть важную роль в технологических приложениях, поскольку они могут быть проще и компактнее оптических часов.