自由空间激光链路击败了光学时钟的稳定性

不久将有可能在全球范围内激光化自由传输光学时钟信号。

澳大利亚的物理学家展示了如何创建异常稳定的激光链路，以通过大气层发送频率信息。研究人员说激光频率的波动是如此之小以至于在对这种链路进行平均几秒钟后，就可以完美地传输来自世界上最精确的光学时钟的定时信号。他们认为这为使用卫星在各大洲之间同步光频率的全球定时网络提供了前景。

这种在全球范围内连接光学时钟的能力可能使物理学家能够测试广义相对论和寻找暗物质并检测基本常数的任何变化。由于在不同高度上的引力时间膨胀的影响，它还可用于改善基于卫星的导航和授时以及大地测量。

现在光学时钟的不确定性会比微波频率基于铯的原子钟低约100倍（大约为10 18的十分之一）而通过将它们通过光纤连接起来的距离进行了比较其频率可达近2000 km。但是考虑到铺设带有合适放大器的专用光纤的巨大成本，在全球范围内进行此类比较将是困难的。另一方面卫星无线电链路适用于微波时钟，但对于光学计时装置而言，其精确度在数量级上太不精确。

任何链接的频率必须比其连接的光学时钟更稳定。否则这些时钟的最高准确性将被浪费掉。可以通过对较长时间的信号求平均来提高稳定性，但是时间非常有限–一些专家预计光时钟仅运行100s就会很快稳定其余部分。

大气湍流

自由空间链接的开发人员面临的挑战是克服大气湍流，沿激光路径的折射率波动会稍微加快或延迟光的到达从而导致相位不稳定。而湍流还会导致光束偏离目标并闪烁。这非常短暂但反复地减小了光束强度，信号的损失限制了平均时间并因此限制了频率稳定性。

为了演示如何克服这些问题研究人员在屋顶上安装了激光发射器和接收器。然后他们测量了从1.2公里外的另一个屋顶上的角a反射器反射回来的光束稳定性。他们说这种2.4公里的水平往返与在低地球轨道上大约500公里处的地面与卫星之间建立的联系具有相同的湍流水平。

为了最大程度地提高系统的稳定性，研究人员能够使用“倾斜式”反射镜不断地调整反射光束的方向以响应光检测器输出的波动，该输出可以捕获持续不到一毫秒的强度下降。同时他们使用了锁相环和声光调制器来改变光的频率。

自由空间尝试

这不是在自由空间中稳定频率传输的首次尝试。这个澳大利亚小组和法国的同事在一月份报告，在平均40 s的情况下达到了1.6的稳定性。研究人员在去年一份报告中说平均时间约为30小时后，与6 x 10 -19相比这很好。该技术的一端使用1.5km的露天链路两端均装有光钟

但是最新的工作大大提高了稳定性。研究人员进行了为期两周的实验，发现仅相位稳定技术在平均一分钟后即可实现1×10 -19的分数稳定性。通过还稳定幅度他们能够减少信号损失，并在5分钟后将稳定性提高到大约6×10 -21。正如他们指出的那样，这恰好是与低地球轨道的卫星保持联系的时间长度。

比较了三个顶级原子钟和记录精度

他们弄清楚了这些数字与轨道上的卫星连接时的含义。他们发现距离越远信号带宽越低，稳定性会略有降低，但仍能使系统与最佳光时钟保持极强的竞争力。他们计算出在平均几秒钟后频率比较将受到时钟自身不稳定性的限制。

为了对这项技术进行真实测试，研究人员目前正在地面上建造一个0.7m的望远镜，并希望能够从航天局或一家私人公司获得人造卫星的进入。研究人员指出他们将不得不应对非常严重的多普勒频移-卫星进出地面站的运动将导致输入信号突然上升和下降大约10 GHz。但研究人员认为团队在平方公里阵列射电望远镜上处理高精度微波偏移所获得的经验应有助于他们保持目前的精度，并杨言称有信心可以适应多普勒频移。