微型光学晶片利用双激光生成精确信号 促进原子钟小型化发展

美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员展示了一种基于晶片的光频梳，该装置利用两个激光器产生精确的光信号，而不需要一些早期设计所需的笨重稳定设备。这项技术的发展有助于将光原子钟缩小，并使其更适合在实验室外使用。这类钟在 GPS 信号不可用或被干扰的情况下，最终可支持无人机、潜艇及其他交通工具的导航系统。该装置依赖一种称为微共振腔的小型环形结构。来自两个激光器的光在环内循环，产生一系列均匀间隔的光频，这些频率可用作高度精确的测量参考。

研究人员与 NIST 与马里兰大学之间的联合量子研究所（JQI）的同事合作，表示这一方法解决了开发紧凑频率梳的关键障碍：在不需额外耗能设备的情况下产生稳定的高质量信号。光频梳的工作原理类似于光的尺规，通过产生一系列精确分隔的频率，让科学家能以卓越的准确性测量光。这些装置是光原子钟的重要组成部分，利用原子在光频下的振动来测量时间。传统的光频梳系统可能需要多个组件来稳定其信号。

新方法解决信号稳定性

尽管研究人员已经开发出使用微共振腔的迷你版本，但维持所需的信号质量仍可能需要额外设备。

NIST 的方法将来自两个激光器的光送入同一微共振腔。它们的相互作用产生所需的均匀间隔频率，用于光学测量，同时避免了早期单激光方法中与额外稳定硬件相关的问题。研究人员制造了包含多达 300 个小型环形共振腔的晶片，这些结构提供了生成梳信号所需的光学环境。根据 NIST 的说法，这一双激光技术能生成高质量的频率梳，而不依赖于限制某些早期设计的笨重实验室设置。该示范关注于频率梳组件，而非完整的便携式原子钟。

NIST 目前尚未报告使用新装置的完成导航系统。

光原子钟的潜在应用

光原子钟能为无法完全依赖卫星信号的导航系统提供准确的时间参考。GPS 通过使用来自卫星的精确计时信号来确定位置，当这些信号被阻断、干扰或故意屏蔽时，交通工具可能需要其他方法以保持可靠的导航。紧凑型光钟最终可能通过提供稳定的时间参考来贡献于这类系统，减少对外部信号的依赖。潜在应用包括自动驾驶无人机、潜艇及其他在卫星导航不可靠的环境中运行的交通工具。NIST 还指出，矿物勘探及石油和天然气调查也是便携式光钟的可能用途。

然而，这项研究并未证明新微频梳能独立提供无 GPS 的导航，仍需额外的钟组件和导航技术。

下一个挑战是将展示的光学性能转化为符合移动平台的尺寸、功耗和可靠性要求的实用仪器。通过减少产生稳定光频所需的支持硬件，研究人员已展示了一个组件，这将有助于使精密计时设备更具便携性。

微型光学晶片的导航潜力

这项技术的进展标志着光原子钟小型化的重要一步，能在无法依赖卫星信号的情况下提供准确的时间参考。随着交通工具对导航系统的需求增加，特别是在自动驾驶和潜艇等领域，这种新型光频梳的发展将有助于提升导航的稳定性和可靠性。尽管目前尚未证明其独立导航的能力，但其潜在应用广泛，未来可望在各种环境中发挥关键作用。