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撥動光生微波源的琴弦

發(fā)布時間:2022-12-07 10:12:59

引言

  在今天的內(nèi)容開始前,我想問大家一個問題,你們知道手機、藍牙以及wifi這些日常高頻率使用的設(shè)備,它們有什么共同點嗎?對了,它們都可以通過非接觸的方式來傳輸數(shù)據(jù)。這種非接觸的方式是如何實現(xiàn)的呢?其實它們都是采用了一種電磁波,而這種電磁波統(tǒng)稱為微波。比如目前的藍牙、wifi以及家用的微波爐都是使用的2.4 GHz頻率的微波、5G網(wǎng)絡(luò)使用450MHz~6GHz頻段的微波。可以說微波和我們的生活息息相關(guān)。今天我就來為大家拔草“超穩(wěn)光生微波源”! 

  什么是超穩(wěn)微波? 

  超穩(wěn)微波是指頻率穩(wěn)定度超級穩(wěn)定、相位噪聲極低、頻率范圍處在300 MHz~300 GHz范圍內(nèi)的電磁波。它比普通微波穩(wěn)定的多的多,簡直就是普通微波的超級Plus版。能夠產(chǎn)生這種超穩(wěn)微波信號的裝置就叫做超穩(wěn)微波源。簡單來說,根據(jù)電磁波的頻率可以對其進行劃分,如圖 1。

圖 1 電磁波分段圖(圖片來源:網(wǎng)絡(luò))

  從時間尺度上看,超穩(wěn)微波信號是指周期連續(xù)、頻率單一的正弦波;而從頻率尺度上看,超穩(wěn)微波信號是頻譜寬度很窄的信號。如圖2。時間上信號的波形越逼近正弦波,頻率成分就越單一、穩(wěn)定度就越穩(wěn)定,頻域上信號的譜線寬度越窄,相位噪聲就越低。 

圖 2 超穩(wěn)微波信號示意圖(圖片來源:筆者自制)

  說了這么多,可能大家還是無法感受超穩(wěn)微波信號到底有多穩(wěn)定,下面筆者就用一個場景來輔助大家理解。 

  生活中最常見的最好的石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度約為E-13/s,如果手表中使用這樣的晶體振蕩器,可以做到32萬年誤差1秒,而超穩(wěn)微波信號的穩(wěn)定度至少要高出石英晶振100倍。 

  超穩(wěn)微波從哪兒來? 

  了解了超穩(wěn)微波后,那么它又是從哪兒冒出來的呢?當然是從一個特別厲害的裝置中產(chǎn)生的,這個裝置就是前面提到過的超穩(wěn)微波源。 

  超穩(wěn)微波源主要面向高精尖技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用在國防的高精度雷達系統(tǒng)中,可以提升雷達的探測精度。應(yīng)用于銫原子噴泉鐘里面,可以提升銫噴鐘的穩(wěn)定度,做到100萬年才誤差1秒。除過這些場景,超穩(wěn)的微波源還可以應(yīng)用于深空導航、量子信息系統(tǒng)以及天文探測等領(lǐng)域。 

  產(chǎn)生超穩(wěn)微波信號的超穩(wěn)微波源有三種。第一種是超穩(wěn)晶體振蕩器,第二種是超低溫藍寶石振蕩器,還有一種是傳遞超穩(wěn)光穩(wěn)定度的光生微波源。光生微波這種方法可以產(chǎn)生穩(wěn)定度達到E-17/s量級的微波信號,是目前性能最好的超穩(wěn)微波獲得方法,也是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N。 

圖 4 光生微波源

  超穩(wěn)光生微波源 

  超穩(wěn)光生微波源,一個創(chuàng)造性的集兩項諾貝爾獎發(fā)明成果于一體的神奇微波發(fā)生裝置,下面筆者就來為大家揭開它的神秘面紗。 

  超穩(wěn)光生微波源主要由超穩(wěn)激光器、飛秒光學頻率梳和微波頻率綜合器這三部分組成,如圖 5所示。超穩(wěn)激光器提供超級穩(wěn)定的單頻激光信號,它是超穩(wěn)微波的參考源,它的頻率穩(wěn)定度制約著所產(chǎn)生的微波的頻率穩(wěn)定度。飛秒光學頻率梳用來搭建一條連接超穩(wěn)激光信號和超穩(wěn)微波信號的橋梁,讓超穩(wěn)激光直接將頻率穩(wěn)定度傳承給超穩(wěn)微波,得到光生微波信號。微波頻率綜合器,可以將飛秒光梳傳遞的微波信號變換至任意希望的頻率值上。 

圖 5 超穩(wěn)光生微波源結(jié)構(gòu)圖(圖片來源:筆者自制)

  我們舉個例子來理解超穩(wěn)光生微波源的原理。 

  如果把超穩(wěn)光生微波源比作排隊走的隊列,那么超穩(wěn)激光就像隊列里面的帶隊人,隊伍的步伐大小、整齊度、每位隊員的相對位置都由這個領(lǐng)隊決定。飛秒光梳就像隊列里面的隊員,在沒有和超穩(wěn)激光建立聯(lián)系之前,光梳是自由運轉(zhuǎn)的,就如圖 6中所示的一樣混亂。而當通過一系列復(fù)雜的操作和領(lǐng)隊建立聯(lián)系后,就能使得每位隊員的步伐大小、步速、以及和其他隊員的相對位置都和領(lǐng)隊高度同步,如同圖 7所示,這樣就產(chǎn)生的超穩(wěn)光生微波信號。

圖 6 未鎖定時的隊伍很混亂(圖片來源:筆者自制)

 圖 7 鎖定后隊伍整齊一致(圖片來源:筆者自制)

  如果隊伍在操場中央走路,我們需要隊伍在主席臺前走過,此時,就需要頻率綜合器了,它可以神奇的將隊伍在不掉隊、也不改變行進步調(diào)的情況下從A點移到需要的B點,如圖 8所示,比如我們只能產(chǎn)生10 GHz的微波信號,我們需要9.192 GHz的微波信號,就要使用到頻率綜合器了。 

圖 8 頻率綜合器的平移能力(圖片來源:筆者自制)

  有了這三部分的協(xié)同合作,“光麻麻”就能順利產(chǎn)子了,得到超穩(wěn)微波baby了。注意了,這其中使用了2個超級厲害的技術(shù),第一個就是超穩(wěn)激光技術(shù),另一個就是飛秒光梳技術(shù)。 

  沒錯,知識點來了,超穩(wěn)激光就是在激光技術(shù)的基礎(chǔ)上得來的[1],而1964年的諾貝爾物理學獎便頒發(fā)給了發(fā)明激光器的Charles H. Townes教授。目前性能最好的超穩(wěn)激光的秒級頻率穩(wěn)定度4E-17/s[2],這個水平約為79億年誤差1秒。 

  雖然激光的頻率很穩(wěn)定,但是激光的頻率卻很高,和微波頻率相比,一般要差5、6個數(shù)量級。因此無法直接對激光進行分頻而抑制了光生微波技術(shù)的發(fā)展。而在2000年, Theodor W. H?nsch教授和John L. Hall教授發(fā)明了光學頻率梳[3][4],就像一個齒輪組(如圖 9),既可以嚙合激光頻率,又可以連接微波頻率,可以直接對超穩(wěn)激光進行分頻至微波頻率,這項技術(shù)的發(fā)明使得光生微波成為可能。這兩位科學家也因為發(fā)明光梳而分享了2005年諾貝爾物理學獎。 

  2005年后,光生微波技術(shù)蓬勃發(fā)展,目前最好的利用光生微波的方法產(chǎn)生的超穩(wěn)微波信號的頻率穩(wěn)定度可以達到5E-17[5],也就是約63億年才差1秒。 

圖 9 光梳齒輪功能示意圖(圖片來源:網(wǎng)絡(luò)+筆者加工

  光生微波源的應(yīng)用?  

  2017年,國家授時中心的科研人員研制出了可以產(chǎn)生9.192 GHz信號的光生微波源[6][7],用于銫原子噴泉鐘(NTSC-F1)中,將銫原子噴泉鐘的短期頻率穩(wěn)定度提升了6倍,進入了E-14量級。光生微波的技術(shù)極大促進了銫噴鐘的研究進展。 

  當然,光生微波源不止可以應(yīng)用于銫原子噴泉鐘,還可以應(yīng)用于冷原子光鐘系統(tǒng)中,而光鐘有望在不久的將來,代替銫頻標成為新的原子頻標。在高精度雷達探測中,也需要超穩(wěn)的微波信號進行探測。 

參考文獻 

  [1]. Z. Tai, et al., Chin. Phys. Lett. 34, 090602, 2017. 

  [2]. D. G. Matei, et al., Phys. Rev. Lett., 118, 263202, 2017. 

  [3]. S. A. DIDDAMS, et al., Phys. Rev. Lett., 84, 5102, 2000. 

  [4]. Y. Zhang, et al., Opt. Express, 25, 21719, 2017. 

  [5]. T. Nakamura, et al., Science, 368,889, 2020. 

  [6]. L. Yan, et al., Chin. Phys. B, 27, 030601, 2018. 

  姜海峰,物理學報, 67, 160602, 2018. 


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