空间冷原子钟

从日晷、漏刻计时器（水钟、沙漏等）的出现,到摆钟、石英晶体钟的发明,人类对于时间的把握越来越精确.而从1948年第一台原子钟发明至今,人类计时的精度更是以几乎十年一个数量级的速度提高.

天宫二号里那块优雅的“手表”——空间冷原子钟

天宫二号带着一款别致的"手表"——空间冷原子钟正在绕着地球翱翔。它仰望深空,俯视大地,探索浩淼宇宙遵循的黄金规则,细致描绘地球母亲的每一寸土地。这是人类史上首台在空间实验室开展科学研究的空间冷原子钟,它的精准度也是史无前例的,为3 000万年误差不超过1 s。这台原子钟是中国科学家们历经十数年孕育和抚养成才的,它承载着中国在空间定位、深空探测,以及广义相对论的验证等方面的研究使命。

积分球冷原子钟一体化激光冷却与探测微波腔研究

积分球冷原子钟是一种具有代表性的小型化高精度冷原子钟,其目前亟需解决的关键问题之一是提高微波腔内的冷原子利用率,从而继续提高频率稳定度等技术指标。本文提出了一种新型的积分球冷原子钟一体化激光冷却与探测微波腔,该微波腔整体结构呈圆柱形,不仅通过在微波腔内表面处加载透明微波介质壁形成大范围均匀微波场,而且通过不同注光方式形成各向同性光场,分别进行漫反射激光冷却和弥散吸收探测。通过这种新颖的改进方式,微波腔作为一体化装置,具有大范围均匀微波场振荡、漫反射激光冷却和弥散吸收探测3种功能。在该微波腔中,微波腔内的冷原子均可以参与微波钟跃迁并被探测到,即冷原子利用率可以得到大幅度提高。

冷原子钟:3000万年误差小于1秒

新闻：近日，在天宫二号空间实验室内搭载的世界首台太空运行的冷原子钟完成了全部既定在轨测试任务。在轨近两年期间，冷原子钟运行正常、状态良好、性能稳定，成功验证了在空间环境下高性能冷原子钟的运行机制与特性，将目前人类在太空的时间计量精度提高1～2个数量级。

上亿年误差1秒冷原子钟中国造

没有钟摆,也没有秒针走动的滴答声,一只'长相'完全不符合人们对钟的预期的黑色圆柱体搭乘天宫二号空间实验室来到太空,成为人类历史上第一台在轨进行科学试验的空间冷原子钟。这只钟对时间的测量基于原子物理,而又跟大部分的原子钟不同,这只钟应用的是更为先进的冷原子物理技术。

“天宫二号”上的空间冷原子钟

不久前成功发射的“天宫二号”搭载了多种高精尖科学装备,其中由中科院上海光机所研制的“定时神针”——空间冷原子钟,有望实现约3000万年误差1秒的超高精度.这将是国际上首台在轨运行并开展科学实验的空间冷原子钟,也是目前在空间运行的最高精度原子钟.

超厉害的“冷原子钟”

过去人们怎样报时?说来极为有趣。由于古时钟表还未普及,聪明的古人便想到了借助钟鼓来报时。他们在繁华的都市中修建了钟鼓楼(如图1),楼内设置负责计时的铜刻漏(如图2)和负责报时的更鼓与铜钟。铜刻漏仿制天池、平水、万分设置成三级,均为方斗形。各漏壶下端中心处设有龙嘴,将上一级漏壶之水向下一级漏壶流送。收水壶为圆柱形,壶顶设双龙抱扶箭尺,可随壶的水位缓缓升起.

应用于积分球冷原子钟的窄线宽激光稳频系统

通过调制转移光谱稳频的方式,将外腔半导体激光器频率锁定于^(87)Rb原子D_(2)线超精细跃迁5^(2)S_(1/2),F=2→5^(2)P_(3/2),F=3,使激光器线宽由自由运转的382.18 kHz压窄至稳频后的37.94 kHz。稳频后的窄线宽激光用于积分球冷原子钟的探测光,可以将激光频率噪声对原子钟短期稳定度的影响降低至5.6×10^(-14)τ^(-1/2)。

高冷的授时大神——空间冷原子钟

2016年,中国第一台空间冷原子钟问世,它也是世界上第台在轨进行科学实验的空间冷原子钟。空间冷原子钟的特点“钟”确实是一个钟,但是没有表针。

积分球冷原子钟探测光功率自动稳定实验研究

建立了微瓦量级的激光功率自动稳定实验装置,通过自动反馈控制声光调制器的衍射效率,实现了激光功率的自动稳定。激光功率稳定后,激光相对强度噪声得到有效抑制,接近散弹噪声极限,激光功率的长期稳定度优于2×10-5(1000s)。推导了功率自动稳定系统的环路方程,分析了激光功率稳定环路对相对强度噪声的抑制作用。稳定后的激光应用于积分球冷原子钟的钟跃迁探测,对原子钟稳定度的影响小于1×10^(-13)τ-^(1/2),积分球原子钟的频率稳定度优于5×10^(-13)τ^(-1/2)(τ为取样时间)。

积分球冷原子钟的探测光频率和强度噪声

对积分球冷原子钟(ISCAC)探测光的频率和强度噪声进行了理论分析和实验研究。通过功率稳定和杂散光去除,探测光相对强度噪声的功率谱密度在高频区域(0.1~10kHz)最大被压缩了15dB,同时探测光频率噪声对ISCAC频率稳定度的影响被降低至9τ^(-1/2)×10^(-15),其中τ为积分时间。理论分析结果表明,目前探测光频率噪声对ISCAC频率稳定度的影响为2.5τ^(-1/2)×10^(-13)。提出了一种减小探测光频率噪声影响的实验方案,即在钟周期一定时适当增大探测时间。采用这种方法,可以将探测光频率噪声对ISCAC频率稳定度的影响减小至9.4τ^(-1/2)×10^(-14)。

积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法

提出了一种积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法。该方法通过周期性地监测冷原子的吸收信号,利用反馈控制冷却激光内声光调制器的衍射效率并改变冷却光功率,实现冷原子数的稳定。推导了冷原子数稳定系统的环路方程,分析了稳定环路对冷原子数涨落的抑制作用。稳定后冷原子数的归一化涨落为1±0.001(3h),其功率谱密度在0.001~0.2Hz频率范围内的最大抑制量约为30dB。该涨落被抑制的原因主要是稳定环路除了直接补偿冷却光激光器输出的光功率变化外,还纠正了外界环境引起的冷原子数漂移。冷原子数稳定之后,由冷原子数涨落引起的原子钟频率稳定度可降低至7×10^(-14)τ^(-1/2)(τ为积分时间)。

相干布局数囚禁冷原子钟

编号：0506258 该发明专利公开了一种相干布局数囚禁冷原子钟。

空间冷原子钟原位探测微波腔设计

高精度空间冷原子钟在基础物理研究、导航定位系统,以及深空探测领域均有重要应用。为此,设计了一种结合激光冷却与原子原位探测方案的新型微波腔,在该微波腔中心可以俘获与冷却铷原子,然后在微重力环境下对冷原子样品开展原子钟操作。该方案相对于已有的空间冷原子钟方案,在减少冷原子损耗、死时间占比和分布腔相移上具有较大的优势。分析了微波腔的详细结构与光学设计,确定了微波腔需要的基本参数,并对微波腔内部的微波磁场进行了仿真分析。在已完成研制的微波腔内开展特性测试,测试与仿真结果说明,所设计微波腔的性能可以满足不确定度优于1×10^-16的高精度空间冷原子钟的要求。

基于光纤激光放大倍频的冷原子钟光源

用于激光冷却与原子布居数探测的激光光源是冷原子钟的重要组成部分,选用工业技术成熟的1560 nm光纤激光器和光纤放大器分别作为种子源和光放大器,经非线性倍频晶体对放大后的激光进行倍频,得到较大功率的780 nm的激光,通过饱和吸收稳频得到冷却激光,一部分冷却激光利用电光调制器和声光调制器移频6.8 GHz得到重泵浦激光,对上述激光进行适当的功率分配后提供给冷原子钟。对该套激光装置关键器件进行了特性测试,将稳频后的倍频激光与锁定在超稳激光上的光学频率梳进行拍频,得到的激光的线宽在74 kHz左右,其短期稳定度比外腔半导体激光器提高半个多数量级。将这样的激光光源应用于冷原子钟,可以减小探测激光频率噪声对喷泉钟稳定度的限制。

基于原位探测的空间冷原子钟的性能分析

在空间微重力环境下,应用激光冷却技术的空间冷原子钟有望获得更高精度的时间频率基准。提出了一种基于原位探测的新型空间冷原子钟方案,在开展冷原子俘获、冷却、选态、两次微波探寻与量子态探测等过程中,冷原子都保持在微波腔中,这种设计可以使单个原子钟的周期更短,微波探寻过程有更大的时间占空比,也能使原子钟的整体结构更加紧凑。在使用Boitier a Vieillissement Ameliore(BVA)晶振作为本振的条件下,从Dick效应与量子投影噪声两方面对原子钟的稳定度进行分析预估,然后分析了影响冷原子钟不确定的来源与估值,结果表明:基于原位探测的空间冷原子钟有望达到5.9×10^-14τ-1/2的稳定度以及1×10^-16的不确定度,该结果优于当前使用BVA晶振作为本振的其他冷原子微波钟的性能。

中国冷原子钟大幅提高太空时间计量精度

据新华社电中国天宫二号空间实验室2016年成功发射入轨后已开展一系列科学任务。中国科研人员7月24日报告说,空间实验室搭载的高性能冷原子钟实现了超高精度,将目前人类在太空的时间计量精度提高了1至2个数量级,有助推动导航和空间基础物理前沿研究的发展。由中国科学院牵头负责的载人航天工程空间应用系统,在天宫二号上开展了14项体现国际科学前沿和高技术发展方向的空间科学与应用任务。

天宫二号空间冷原子钟实现预定科学目标

由中国科学院牵头负责的载人航天工程空间应用系统在天宫二号上开展了14项体现国际科学前沿和高技术发展方向的空间科学与应用任务,其中关于世界首台太空运行的冷原子钟的研究成果发表于Nature Communications。2016年9月25日,天宫二号空间实验室成功发射并顺利进入运行轨道。在轨近两年时间里,冷原子钟运行正常、状态良好、性能稳定,完成了全部既定在轨测试任务,成功验证了在空间环境下高性能冷原子钟的运行机制与特性,同时实现了天稳7.2×10-16的超高精度,将目前人类在太空的时间计量精度提高1?2个数量级,是基于冷原子的空间量子传感器领域发展的一个重要里程碑。

空间冷原子钟 3000万年误差1秒

9月，伴随着“天宫二号”空间实验室的发射升空，一台“长相”与我们日常所用的钟表完全不同的黑色圆柱体——空间冷原子钟，去到太空开始履行自己的使命。

“天宫二号”里的空间冷原子钟

小编的话:听说,在'天宫二号'空间实验室里有一台神秘的钟—超高精度空间冷原子钟。咦?这是一台什么钟?它在'天宫二号'空间实验中扮演着什么角色?又将对我们的生活产生什么影响呢?一切还得从很久很久以前说起……从日晷到冷原子钟在人类文明进步和科学技术发展的历史长河中,人类活动所带来的社会需求与时间测量的精度是密不可分的。很久很久以前,我们的祖先记录时间是利用天体的周期性运动。