倍频器将用于精确控制实验室外的光学原子钟，大大提高其测量精度和稳定性。

德国联邦物理技术研究院QUEST研究所开发的光学原子钟中的激光设备。照片来源：德国联邦物理技术研究院。

位于德国布伦瑞克的德国联邦物理技术研究院（PTB）以为世界提供最精确的时间而闻名，如为用于无线电控制的原子钟提供准确的计时服务。为此，德国联邦物理技术研究院运行着世界上最好的铯原子钟。同时，研究院已经在开发下一代的各类原子钟。

这些新型时钟不再基于铯原子中的微波跃迁，而是与其他使用光频激发的原子一起工作。更重要的是，这些新设计的时钟甚至能够被运送到其他地点使用。

在德国联邦物理技术研究院的QUEST研究所，目前正在开发一种便携式光学铝钟，以便于用于测量各类物理现象，例如在实验室之外测量爱因斯坦曾经预测的红移现象。但是这类测量的一个先决条件是，所需的激光器能够被运输到其他实验地点。

倍频

因此，德国联邦物理技术研究院的物理学家已经开发出了倍频单元，当它以三倍的地球重力加速度振动时还能够继续工作。该实验的结果已经发表在《科学仪器评论》中。

这是爱因斯坦发现的一种现象，位于地球引力场中两个不同位置的两个时钟将以不同的速度运转。这一奇怪的现象却拥有实际的效果和优点：利用两个具有极小的相对测量不确定度为10-18的光学原子钟，就能够测量地球上任意两点之间的高度差，精度可达1厘米。

这个所谓的“计时校正”现象代表了时钟在大地测量中的重要应用。但这一重要应用先决条件之一是可以比较两个时钟的光频率。其中一种方式就是通过玻璃纤维。德国联邦物理技术研究院目前正在开发几种不同类型的原子钟，每种原子钟都能够在拖车或容器中进行运输。然而，他们的研究成果在受保护的实验室环境之外的操作都带来了许多挑战。

例如，实验室之外的环境温度不太稳定。此外，在运输过程中可能会出现重大的物理冲击。这就是为什么在实验室工作得很好的光学结构最初可能在目的地无法使用。他们必须精心调整，但这会导致宝贵的研究时间的损失。最后一个问题还特别涉及QUEST研究所正在开发的便携式铝钟。这个时钟还需要两台工作在267nm的紫外激光器。对于这个波长来说，使用激光二极管是不可能的，而所需的长波红外激光器必须连续经过两次倍频。

镜环

在这个过程中，激光被耦合到四块镜子组成的闭合环路中，使得高功率的激光在环内循环往复。放置在该环中的非线性晶体将不断循环的光转换为半波长的光。由于镜子镀有二向色性的涂层，激光能够从谐振腔输出用于时钟计时。QUEST研究所已经开发了这种所谓的倍频腔的设计，该设计基于一个高度稳定的整体框架，在该框架上安装所有需要的反射镜和晶体。该装置被完全密封以保护晶体，因为元件即使对于最轻微的污染也是高度敏感的。

该腔体的开发者能够在原型上进行演示，当激光处在1g的加速度时，将使激光产生倍频。另外，实验表明倍频效率在经受高达3g的加速度30分钟之后仍然不受损害。这相当于标准ISO 13355：2016中关于卡车道路运输标准中规定值的五倍。然而，腔体不仅机械强度高，而且与其他研究机构的研究小组开发的系统同样有效。此外，演示实验证明新型时钟能够维持130小时不间断的连续操作。

鉴于这些特性，QUEST研究所已经针对不同的波长制作了多个这种空腔，这些空腔成为各种量子光学实验的组成部分，为各类实验提供可靠的激光输出。此外，研究所已经授权一家德国光机械公司，将此设计原型作为商业产品的基础。

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