空间冷原子钟技术

空间冷原子钟作为在空间环境运行的高精度原子钟,在导航定位、深空探测和基础物理研究等领域展现出巨大的应用潜力。20世纪90年代以来,随着中性原子激光冷却技术的发展,喷泉冷原子钟得以实现并将频率稳定度和准确度从以往铯束原子钟的10^(-14)量级提高到10^(-16)量级。法国、美国和中国均提出了在微重力环境下运行高精度冷原子钟的计划。在中国载人航天工程的支持下,2016年上海光学精密机械研究所研制的天宫二号空间冷原子钟在国际上首次实现了在轨运行。欧盟的空间光钟项目于2007年获得欧洲航天局资助,目前实验室中的冷原子光钟的频率不确定度与稳定度都达到了10-18量级。随着空间光钟技术的不断发展,美国、欧盟和中国分别提出了基于空间光钟的不同实验项目建议。本文首先介绍冷原子微波钟与冷原子光钟的技术基础,然后通过概述国内外空间冷原子钟计划的任务特点、关键技术和项目进展,阐述了空间冷原子钟在基础物理和导航定位中的作用,并展望了未来高精度原子钟技术的发展方向。

冷原子微波频标的原理与发展

以原子喷泉为代表的冷原子微波频标近年来取得了飞速发展。基于激光冷却技术的喷泉钟通过原子的抛体运动实现Ramsey干涉,其鉴频谱线约1 Hz的窄线宽和优异的信噪比使得喷泉频标的长期稳定度和不确定度达到了10^(-16),其优异的稳定度指标也对振荡器提出了更高要求。基于光频标技术发展的光生微波可以实现10^(-15)的秒稳定度,从而使喷泉钟的稳定度达到了量子投影噪声极限。通过将性能优异的喷泉钟引入守时钟组,世界原子时的频率精度达到了约2×10^(-16)。除了地面应用外,冷原子频标还进入空间,获得了优异的性能指标,并将在导航定位和科学研究等领域发挥重要作用。中国科学院上海光学精密机械研究所在喷泉频标、光生微波等冷原子微波频标领域开展了系统研究,技术指标达到了国际先进水平,并实现了国际首台空间冷原子钟在轨运行。