- NIST-Forscher präsentieren chipbasierten optischen Frequenzkamm ohne schwere Geräte.
- Neue Methode überwindet entscheidendes Hindernis bei der Entwicklung kompakter Frequenzkämme, stabile Signale benötigen keine zusätzliche Energie.
- Optische Atomuhren können Navigationssysteme von Fahrzeugen unterstützen, wenn GPS-Signale nicht verfügbar sind.
- Die Forschung muss die unabhängige Navigationsfähigkeit des neuen Mikrofrequenzkamms weiter bestätigen.
Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben einen chipbasierten optischen Frequenzkamm vorgestellt, der zwei Laser verwendet, um präzise Lichtsignale zu erzeugen, ohne die schweren Stabilisierungseinrichtungen, die in früheren Designs erforderlich waren. Die Entwicklung dieser Technologie trägt zur Miniaturisierung von optischen Atomuhren bei und macht sie besser geeignet für den Einsatz außerhalb von Laboren. Solche Uhren können letztendlich die Navigationssysteme von Drohnen, U-Booten und anderen Fahrzeugen unterstützen, wenn GPS-Signale nicht verfügbar oder gestört sind. Das Gerät basiert auf einer kleinen ringförmigen Struktur, die als Mikroresonator bezeichnet wird. Das Licht von zwei Lasern zirkuliert innerhalb des Rings und erzeugt eine Reihe von gleichmäßig verteilten Lichtfrequenzen, die als hochpräzise Messreferenzen dienen können.
Die Forscher arbeiteten mit Kollegen des Joint Quantum Institute (JQI) zwischen NIST und der University of Maryland zusammen und gaben an, dass diese Methode ein entscheidendes Hindernis bei der Entwicklung kompakter Frequenzkämme überwunden hat: die Erzeugung stabiler, hochwertiger Signale ohne zusätzliche Energieverbraucher. Der optische Frequenzkamm funktioniert ähnlich wie ein Maßstab für Licht, indem er eine Reihe von präzise getrennten Frequenzen erzeugt, die es Wissenschaftlern ermöglichen, Licht mit außergewöhnlicher Genauigkeit zu messen. Diese Geräte sind ein wichtiger Bestandteil optischer Atomuhren, die die Zeit anhand der Schwingungen von Atomen im Lichtfrequenzbereich messen. Traditionelle optische Frequenzkamm-Systeme benötigen möglicherweise mehrere Komponenten, um ihr Signal zu stabilisieren.
Neue Methode löst Signalstabilitätsprobleme
Obwohl die Forscher bereits eine Mini-Version mit Mikroresonatoren entwickelt haben, könnte die Aufrechterhaltung der erforderlichen Signalqualität weiterhin zusätzliche Geräte erfordern.
Die NIST-Methode leitet das Licht von zwei Lasern in denselben Mikroresonator. Ihre Wechselwirkungen erzeugen die benötigten gleichmäßig verteilten Frequenzen für optische Messungen und vermeiden die Probleme, die mit zusätzlicher Stabilisierungshardware bei früheren Einzel-Laser-Methoden verbunden sind. Die Forscher stellten Chips her, die bis zu 300 kleine ringförmige Resonatoren enthalten, die die optische Umgebung bereitstellen, die zur Erzeugung von Kamm-Signalen erforderlich ist. Laut NIST kann diese Doppel-Laser-Technologie hochwertige Frequenzkämme erzeugen, ohne auf die schweren Laboreinstellungen angewiesen zu sein, die einige frühere Designs einschränkten. Die Demonstration konzentrierte sich auf die Komponenten des Frequenzkamms und nicht auf eine vollständige tragbare Atomuhr.
NIST hat derzeit noch kein vollständiges Navigationssystem mit dem neuen Gerät gemeldet.
Potenzielle Anwendungen optischer Atomuhren
Optische Atomuhren können präzise Zeitreferenzen für Navigationssysteme bieten, die nicht vollständig auf Satellitensignale angewiesen sind. GPS bestimmt Positionen durch die Verwendung präziser Zeitmesssignale von Satelliten, und wenn diese Signale blockiert, gestört oder absichtlich abgeschirmt werden, benötigen Fahrzeuge möglicherweise alternative Methoden, um eine zuverlässige Navigation aufrechtzuerhalten. Kompakte optische Uhren könnten letztendlich dazu beitragen, solche Systeme durch die Bereitstellung stabiler Zeitreferenzen zu unterstützen und die Abhängigkeit von externen Signalen zu verringern. Potenzielle Anwendungen umfassen autonom fahrende Drohnen, U-Boote und andere Fahrzeuge, die in Umgebungen mit unzuverlässiger Satellitennavigation operieren. NIST weist auch darauf hin, dass mineralische Erkundung sowie Öl- und Gasuntersuchungen mögliche Anwendungen für tragbare optische Uhren sein könnten.
Allerdings hat diese Forschung nicht nachgewiesen, dass der neue Mikrofrequenzkamm unabhängig Navigation ohne GPS bereitstellen kann; es sind weiterhin zusätzliche Uhrenkomponenten und Navigationstechnologien erforderlich.
Die nächste Herausforderung besteht darin, die demonstrierte optische Leistung in praktische Instrumente umzuwandeln, die den Anforderungen an Größe, Energieverbrauch und Zuverlässigkeit mobiler Plattformen entsprechen. Durch die Reduzierung der unterstützenden Hardware, die zur Erzeugung stabiler Lichtfrequenzen erforderlich ist, haben die Forscher eine Komponente demonstriert, die dazu beitragen wird, präzise Zeitmessgeräte tragbarer zu machen.
Navigationspotenzial mikrooptischer Chips
Der Fortschritt dieser Technologie stellt einen wichtigen Schritt in der Miniaturisierung optischer Atomuhren dar, die präzise Zeitreferenzen bieten können, wenn Satellitensignale nicht verfügbar sind. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Navigationssystemen für Fahrzeuge, insbesondere in Bereichen wie autonomem Fahren und U-Boot-Technologie, wird die Entwicklung dieser neuen optischen Frequenzkämme dazu beitragen, die Stabilität und Zuverlässigkeit der Navigation zu verbessern. Obwohl ihre unabhängige Navigationsfähigkeit derzeit noch nicht nachgewiesen ist, sind die potenziellen Anwendungen vielfältig und könnten in Zukunft eine Schlüsselrolle in verschiedenen Umgebungen spielen.