РКС на МАКС-2021: первые в мире высокоточные оптические часы с применением технологии фотоники

Первые в мире так называемые высокоточные оптические часы с применением технологии фотоники, формирующие сигнал точной частоты и времени, покажет на Международном авиакосмическом салоне МАКС-2021 холдинг «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «РОСКОСМОС»). Новое высокотехнологичное устройство позволит на порядок повысить точность геопозиционирования ГЛОНАСС.

Технология будет востребована при создании беспилотных автомобилей и летательных аппаратов, систем прецизионного земледелия и морского хозяйства, мобильных сервисов с геопривязкой высокой точности, «умных» городов и других наукоемких систем и технологий. Данные часов незаменимы в науке, в частности, гравиметрии (наука об измерении величин, характеризующих гравитационное поле Земли и других небесных тел), градиометрии (совокупность методов измерений активности источников ионизирующего излучения), при исследованиях свойств антивещества, поиске темной материи. Кроме того, ученые, изучающие фундаментальную физику, смогут провести тест общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает ускоряющиеся объекты и объясняет природу такого явления, как гравитация и существование частиц гравитонов.

Генератор ультрастабильных сигналов частоты на холодных ионах иттербия был создан в широкой научно-производственной кооперации: РКС выступает индустриальным партнером, основным разработчиком – Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН. Также в разработке участвуют Сколковский институт науки и технологий, ООО «Авеста» и Институт лазерной физики Сибирского отделения РАН. Метрологическое сопровождение обеспечивается Всероссийским научно-исследовательским институтом физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ).

Технический руководитель работ от РКС Александр СКРЫТНИК: «Одним из ключевых факторов, определяющих качество функционирования спутниковой навигации, является точность и стабильность сигнала времени, формируемого бортовым синхронизирующим устройством. Востребованность в точном позиционировании и синхронизации постоянно расширяется. Стандарты частоты с применением новых технологий помогут сделать значительный рывок в повышении точности российской спутниковой системы навигации ГЛОНАСС».

Как это работает

Представленные на стенде РКС высокоточные оптические часы, а официально – оптический генератор ультрастабильных опорных сигналов частоты – первый наземный прототип перспективного бортового стандарта частоты, созданного с применением технологии фотоники. В его основе лежит использование физических свойств химического элемента иттербия (Yb), охлажденного до близкой к абсолютному нулю температуры. Разработанный экспериментальный образец компактного транспортируемого генератора ультрастабильных опорных сигналов частоты состоит из двух функционально разделенных половин – оптической и электронной. В состав первой входит вакуумный оптический спектроскоп, включающий в себя источник горячих атомов иттербия, лазерные системы фотоионизации, доплеровского охлаждения (т.н. метод оптической «патоки»), контроля квантовых состояний и опроса метрологического перехода между энергетическими уровнями в иттербии. Для предварительной стабилизации последней системы используется высокостабильный оптический резонатор, изготовленный из стекла с нулевым коэффициентом термического расширения.

Дальнейшая работа по созданию компактного и виброустойчивого устройства бортового оптического стандарта частоты позволит производить формирование прецизионной групповой орбитальной шкалы времени, обеспечит наносекундную точность синхронизации, что повысит до сантиметрового уровня точность межспутниковых измерений в высокочастотном радио- и оптическом диапазонах.