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中科院上海光机所:“天宫二号空间冷原子钟”成功在轨运行两年

2018-11-21

中国科学院上海光学精密机械研究所团队首次实现了在轨冷原子钟长期闭环锁定,验证了空间冷原子钟达到天稳10-16量级在轨运行的能力,是当前在轨运行的最高精度的原子钟,代表着国际空间时频领域的最高水准。

原子钟是卫星导航定位系统的核心设备,目前应用于空间的热原子钟性能已接近极限,制约了导航定位系统性能的进一步提高,更难以满足诸如深空探测、基本物理常数测量、引力波测量等空间科学探索活动对空间超高精度时间频率基准的需求。在太空开展冷原子钟实验不仅可以突破热原子钟的极限,也将使许多基础物理实验的精度大幅度提高,因此,空间冷原子钟作为冷原子的空间重要应用受到国际各大研究机构的高度重视,各国相关太空探测计划正在快速实施,例如德国的QUANTUS和MAIUS计划,美国宇航局(NASA)喷气推进实验室的空间站冷原子物理实验室(CAL)计划,欧洲空间局的空间原子钟组计划(ACES)等。我国载人航天工程天宫二号空间实验室有效载荷“空间冷原子钟实验(CACES)” 是国际上最早实现在轨开展冷原子科学实验的项目,于2016年9月15日22时04分随“天宫二号”发射升空,到目前为止,在轨运行已满两年,状况良好、性能稳定,成为唯一在轨运行的空间冷原子设备,既是当前在空间运行的最复杂的原子钟,也是目前在空间精度最高的原子钟。


图1 天宫二号空间冷原子钟在轨运行示意图。

CACES项目的工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对零度(μK量级)的超冷原子团,然后采用移动光学黏团技术将其沿轴向抛射。在天宫二号上微重力环境下,原子团可以做超慢均速直线运动。经过冷原子的特定量子态制备,处于纯量子基态上的原子经过环形微波腔,与分离微波场两次相互作用后处于量子叠加态,通过原子双能级探测方法获得两种量子态上的原子数比例,计算原子跃迁几率并获得Ramsey条纹,利用其中心峰的误差信号作为空间冷原子钟的鉴频曲线对本地振荡器进行锁定,最终输出原子钟信号。CACES的研制和在轨运行涉及原子物理学、量子光学、光机电系统设计、微波电子学、超高真空技术、热学、微重力科学、软件自动控制、航天工程学等诸多领域,其采用的许多关键技术和部件均是专门为空间实验而设计的,所涉及的多项物理机制是国际上首次进行的探索。

中国科学院上海光学精密机械研究所CACES项目团队经过十年不懈努力,提出了空间冷原子钟总体技术路线,发明了微重力环境下运行的冷原子钟物理系统,研制了长期自主运行的冷原子制备与操控激光光学系统和铷原子钟超低噪声微波频率源,攻克了多项关键技术,在中国载人航天工程的支持下,凭借在冷原子钟领域多年的研究积累和空间激光技术领域的航天工程经验,在有限的重量、体积和功耗等诸多条件受限的情况下,成功研制了适应空间微重力环境的光学系统、微波系统、激光系统和物理系统。通过对关键部件进行隔振、主动温控以及为关键元件设置备份等措施提高系统的可靠性,通过各种环境模拟和评估实验,对空间冷原子钟各单元及整机的可靠性进行了有效验证,确保了空间冷原子钟经过火箭发射的力学振动冲击,以及在轨运行条件下的高低温、磁场、辐照等各类空间环境下均能实现正常运行。


图2 空间冷原子钟飞行件实物照片。

CACES在“天宫二号空间实验室”成功应用,首次在空间轨道获得了温度3.3 μK左右的冷原子团,利用冷原子团与微波相互作用获得了线宽小于0.8 Hz的冷原子钟鉴频曲线,实现了在轨冷原子钟长期闭环锁定,验证了空间冷原子钟达到天稳10-16量级在轨运行的能力,是当前在轨运行的最高精度的原子钟,代表着国际最高水准。到目前为止,“空间冷原子钟”已经完成了所有计划内的科学实验内容,圆满完成预定的任务目标。CACES的发射和长期在轨运行的成功是一项前所未有的创举,是我国在空间科学技术领域的一个重要尝试,其成功标志着我国在空间时频领域由追赶到领先的转折,对我国下一步基于空间冷原子技术的空间科学研究有着深远的影响,引起了国内外广泛的关注,各大媒体、相关领导人、国内外相关单位、组织以及国内外著名学者等都对CACES的成果给予了高度评价,成果在2017年国际最高等级时频会议上获得公认。2017年9月20日,SCIENCE以“中国的冷原子钟通过空间测试”为题对CACES再一次进行了专题报道,认为,“冷原子钟成功通过太空测试,这一科学史上的巨大突破将推动地球计时变得更加精确,同时也为基础物理学实验提供了更好的计时工具。”SCIENCE引用德国杜塞尔多夫大学原子物理学家斯蒂芬.席勒的评论,“随着实验的成功,中国在天基冷原子传感器研究领域走在了世界前沿”。CACES在轨运行部分主要科研成果已于2018年7月以In-orbit operation of an atomic clock based on laser-cooled 87Rb atoms为题在Nature Communications [9,2760(2018)]上以亮点文章发表。


图3 空间冷原子钟在轨测试结果。图左上为原子钟和冷原子抛射速度的关系,图中上为拉比振荡,图右上为Ramsey条纹,左下为装载的冷原子数和装载时间的关系,中下为冷原子温度,右下为冷原子钟稳定度。

随着CACES实验的成功,本课题组掌握了基于空间冷原子物理的相关技术,将在2022年前后我国发射的中国空间站(CSS)上建立空间超高精度时频实验柜和空间超冷原子物理柜,在北斗导航领域将实现高精度星载冷原子钟项目,以期大幅度提升我国导航系统的性能,同时开拓空间冷原子的应用领域,开展冷原子重力/梯度仪、冷原子陀螺仪、冷原子干涉仪、冷原子磁强计等天基冷原子传感器的应用研究。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-05219-z