国外空间钟计划与基础物理测试的波浪

原子钟已经发展到很高的水平,它们在空间科学试验中起着非常重要的作用。本文介绍国外已经建议和正在开展的高精度空间钟计划,以及它们在国际空间站(ISS)微重力环境下所进行的某些基础物理方面的测试。

空间钟与基础物理测试

原子钟当前已经发展到很高的水平,它们在空间科学试验中发挥了重要的作用．该文介绍了世界上正在开展的高精度空间钟计划及其对科学测量的意义．对应用空间钟可能进行的某些感兴趣的基础物理测试也进行了描述。

空间锶原子光钟磁场分析及主动补偿系统

空间锶原子光钟在轨运行过程中会感受到幅度约为80μT的地磁场变化,通过引入同等大小的外磁场变化,实验观测了变化地磁场对空间光钟冷原子由磁光阱装载到光晶格的影响。理论分析了地磁场变化对钟跃迁探测的影响,并对磁场稳定性需求进行了分析。通过电动旋转台和永磁体模拟空间环境变化的磁场,利用三维磁通门进行实时探测,设计了主动补偿系统并对外界磁场进行实时补偿,使空间光钟磁光阱中心区域磁场波动在亚μT量级,满足了空间光钟对磁场的补偿与控制需求。

将来最准确最稳定的钟——空间微重力钟

介绍了目前最准确的原子钟,描述了将来最准确、最稳定的钟——空间微重力钟,以及高精度空间组合钟的预期性能,还介绍了一些正在实施的高精度空间钟计划。

一种应用于空间氢钟的C场组件设计

基于零磁环境下,以空间主动氢脉泽对C场组件实际功能要求为设计依据,首先借助电磁理论,同时兼顾工程设计确定中心场及补偿场线圈的绕制方法及圈数;其次通过通电螺线圈的经验公式计算获得目标均匀静磁场所需要的稳恒电流;最后借助仿真优化及实验验证,确定中心场及补偿场线圈电流分别为0.378m A和0.259m A时可实现小于1%的场不均匀度,由此引起的氢钟磁场不均匀频移可以忽略。

空间窄线宽激光器腔前耦合光学系统研制

介绍了一种应用于空间锶光钟钟激光器腔前耦合光学系统的设计和研制。该系统是以我国"空间站高精度时频实验柜"工程应用为目标研制的小型化窄线宽激光器重要组成部分。该系统能够提供满足参考腔束腰半径要求的高斯光束,实现高斯光束和参考腔之间的模式匹配和稳定的激光功率耦合,实现基于电光相位调制边带锁频技术的鉴频误差信号探测。该系统所有光学组件均实现小型化设计,并集成在一块规格为162mm×130mm×68mm的铝合金光学基板上。使用有限元法分析了该光学基板在竖直和水平两个主振动方向上自由重力加载情况下的机械形变,最大形变量小于1μm。在实验室空间内,该系统经若干次搬运后,测量系统搬运前后输出鉴频信号的信噪比变化约为5%,无需介入人工调试仍可长期稳定工作,满足空间窄线宽激光器原理样机的应用需求。

小型化锶光钟物理系统的研制

光钟物理系统的小型化是制约可搬运光钟及空间冷原子光钟发展的重要因素.主要介绍了小型化锶原子光钟物理系统的研制实验.采用真空腔内置反亥姆霍兹线圈,构建一个小电流、低功耗及小体积的磁光阱.实验中测得真空线圈通电电流仅为2 A时,磁光阱中心区域轴向磁场梯度可达到43 Gs/cm,完全满足锶原子多普勒冷却与俘获对磁场梯度的要求.目前已经成功将锶原子光钟物理系统体积缩小至60 cm×20 cm×15 cm,约为实验室原锶光钟物理系统体积的1/10,并且实现了锶原子的一级冷却,测得俘获区冷原子团的直径为1.5 mm,温度约为10.6 mK.锶同位素^(88)Sr和^(87)Sr的冷原子数目分别为1.6×10~6和1.5×10~5.重抽运激光707和679 nm的加入,消除了冷原子在~3P_2和~3P_0两能态上的堆积,最终可将冷原子数目提高5倍以上.

国内外氢钟最新发展及我国氢钟未来发展趋势

首先介绍了当前氢钟领域的发展现状,给出了各种工程化实用型氢钟最新主要性能指标。之后对当前的研究热门空间用氢钟的发展水平及应用方向也做出简要介绍。最后,着重对氢钟的未来技术发展方向进行分析与展望。

主动型氢脉泽物理系统的小型化

为实现主动型氢原子钟脉泽的小型化，对其物理结构进行了优化设计。其中，腔一泡结构、真空系统、C场线圈、束光学系统、磁屏蔽系统均被理论分析和优化设计，并进行了相关的验证实验。双真空结构设计有效地减小了氢脉泽的尺寸。在此基础上，对空间应用主动型氢原子钟的地面样机进行了研制，复合泵技术进一步减小了主动型氢原子钟的尺寸和重量。

通过减小碰撞导致的退相干和谱线增宽提高光晶格钟稳定度

在87Sr空间光晶格钟原理样机上实验观测了原子碰撞对谱线激发率抑制以及对谱线的展宽,并观测到由非弹性碰撞导致的原子损耗。通过简单地将原子数从6000减小至2000,实现了线宽为1.9 Hz的钟跃迁谱线,并将空间光晶格钟原理样机的稳定度提升至1×10^(-15)(τ/s)^(-0.5)。相关实验结果对研究光晶格的多体相互作用对钟跃迁谱线的影响具有重要意义。

锶光钟小型化Zeeman减速器的研制

本文聚焦于小体积、低能耗和高减速效率的Zeeman减速器的研制,首先在12组通电线圈磁场的基础上制作了环状永磁体,但是测得永磁体在MOT腔中心位置剩余磁场仍有27Gauss,严重影响锶原子的一级冷却与俘获。针对这一问题我们研制了长度为10cm的小型线圈减速器,同时为减少线圈发热进一步提出对称磁场理论。用小型减速器装配物理系统后,我们对锶原子束的速度分布曲线进行探测与分析,可知锶原子束的最概然速度由460m/s减小至75m/s,减速后的原子在磁光阱中被进一步冷却,实现了锶原子的一级冷却与俘获,通过荧光收集法测出俘获原子数目为2×10^6,在加入679nm和707nm反抽运光后,俘获原子数目提升了约7倍。