雷射技術助力冷原子鐘的在軌穩定運行

2020-11-23 OFweek維科網

2016年9月25日，天宮二號空間實驗室成功發射並順利進入運行軌道。天宮二號空間實驗室搭載的世界首臺太空運行的冷原子鐘，在軌近兩年，運行正常、狀態良好、性能穩定。

據悉，天宮二號搭載的冷原子鐘完成了全部既定在軌測試任務，成功驗證了在空間環境下高性能冷原子鐘的運行機制與特性，同時實現了天穩7．2×10－16的超高精度，3000萬年誤差小於1秒。這一成果將目前人類在太空的時間計量精度提高了一至兩個數量級，為空間超高精度時間頻率基準的重大需求以及未來空間基礎物理前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。

冷原子鐘是把原子某兩個能級之間的躍遷信號作為參考頻率輸出信號的高精度時鐘，同時利用雷射使原子溫度降至絕對零度附近，使原子能級躍遷頻率受到更小的外界幹擾，從而實現更高精度。

但在存在地球輻射帶幹擾以及複雜的空間環境下，穩定運行一臺精密的空間冷原子鐘具有極大挑戰。中國科學院上海光機所的科研人員在量子頻標和冷原子物理等研究積累的基礎上，經過十餘年的攻關，突破了微重力環境下運行的冷原子鐘物理系統、長期自主運行的冷原子製備與操控雷射光學系統、銣原子鐘超低噪聲微波頻率源等一系列關鍵技術。在空間微重力環境下利用雷射把銣原子溫度降低到接近絕對零度，利用雷射和高精度微波場對製備的冷原子進行操縱和探測，提取出銣原子高穩定的能級躍遷頻率作為高精度原子鐘信號，在國際上首次實現冷原子鐘的在軌穩定運行。

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    該方法十分的穩定，而且十分的高效，總結起來有兩大原因。要想雷射冷卻原子，就得全方位對原子進行覆蓋照射，用雷射在原子周邊形成一個照射囚龍，被照射的原子不斷被雷射吸收和消化能量，最終達到原子靜止的目的。要想實現這樣的目標，起碼得有6束雷射才行，但是受制於功率和空間大小，只允許使用2道雷射。