省产研院先进激光技术研究所参与研制的“空间冷原子钟”即将在天宫二号上开展一系列实验

发表于 讨论求助 2020-09-16 16:43:11


中国神舟十一号载人飞船于周一(10月17日)凌晨发射,飞船搭载景海鹏和陈冬二人与天宫二号空间实验室实施交会对接,并展开30天的太空之旅,这是中国太空人时隔40个月后再次征战太空。


中国首个真正意义上的空间实验室天宫二号于9月15日发射入轨,25日经过两次轨道控制后进入距地面393公里的轨道,等待神舟十一号飞船的交会对接,形成组合体飞行30天,而这也将是中国迄今为止时间最长的一次载人飞行。


与以往载人航天任务不同的是,这次天宫二号与神舟十一号任务的交会对接任务中,需要进行多项尖端空间科学实验。其中一项名为空间冷原子钟实验尤为重要。该项实验的设备“空间冷原子钟”中科院上海光机所研制。“中科院上海光机所”全称为“中国科学院上海光学精密机械研究所”是中国建立最早、规模最大的激光专业研究所,同时也是省产研院先进激光技术研究所的共建单位之一。(点击查看省产研院激光所简介)


空间冷原子钟:激光冷却+空间微重力,让原子钟向更高精度进发


近年来,科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合,有望在空间轨道上获得比地面上的线宽要窄一个数量级的原子钟谱线,从而进一步提高原子钟精度,这将是原子钟发展史上又一个重大突破。


由于高精度空间原子钟在计量学、守时、全球导航定位系统、基础物理等方面都有非常重大的科学研究和工程应用价值,国际上争相开展空间高精度原子钟的研究计划,其中最主要的是欧洲空间局ESA支持的ACES计划,预计将于2017年发射运行。



国际首台在轨运行并实验“空间冷原子钟”


中科院上海光机所研制的“空间冷原子钟”搭载天宫二号,已于2016年9月15日发射升空,成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”,同时也是目前在空间运行的最高精度的原子钟。天宫二号与神舟十一号任务的交会对接任务,将在微重力的环境下进一步进行实验。

“空间冷原子钟”将激光冷却技术和空间微重力环境结合,并突破了激光器自动找频和长期稳频、高稳定光学平台集成、空间激光冷却原子、高性能磁屏蔽及地磁场主动补偿、高性能低噪声微波频率产生、超高真空系统无电情况下长期维持、高精度光电时序控制等系列关键技术,验证在空间微重力环境下超高稳定度冷原子钟的运行机制,有望实现10-16量级的超高精度(约3000万年误差1秒),将目前人类在太空中的时间计量精度提高1~2个数量级。


“空间冷原子钟”将开展包括激光连续稳频输出、激光冷却原子、冷原子慢速抛射、冷原子与微波相互作用、冷原子钟闭环运行等首次在太空中进行的前沿科学实验,为未来进行空间科学实验和工程应用等对超高精度时间基准的重大需求奠定基础。


“空间冷原子钟”的在轨实验成功,标志着我国具备了在太空中建立超高精度的时间频率基准的能力,以此为基础建立的空间高精度时频系统,将可以对其它卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准,使得未来基于空间冷原子钟同步的卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。除此之外,“空间冷原子钟”实验项目的成功还将为空间超冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等应用奠定技术基础,并且在深空探测、引力红移、引力波探测、基本物理常数测量等一系列重大技术和基础科学发展方面做出重要贡献。


那些为空间冷原子钟奋斗的人们  


原子频标开拓者:王育竹院士

空间冷原子钟实验分系统首席科学家、中国科学院院士王育竹研究员长期从事电磁场与原子相互作用的研究,是我国原子频标和激光冷却原子的开拓者之一。


王育竹院士从上世纪六十年代就开始了原子钟方面的研究,其领导的科研团队在1971~1979年间承担了“远望”号测量船上铷原子钟的研制任务,成功研制出中国第一台铷原子钟,为国家导弹发射、远距离测量、沿海电离层测量以及通信等领域做出过重要贡献,获得了全国科技大会“重大科技成果奖”和国家科技进步特等奖。


当70年代末国际上激光冷却气体原子的概念刚刚提出时,王育竹院士便立刻认识到冷原子对原子钟的研究将产生革命性的影响,便率领团队开展激光冷却原子技术的研究。进入21世纪以后,随着实验室激光冷却技术的发展,王育竹院士开始逐步推进小型化冷原子铷钟和空间冷原子钟的可行性研究。为后期上海光机所空间冷原子钟团队原理样机研制、地面科学试验论证、工程样机研制提供了坚实的科学基础。


归国追梦人:刘亮研究员

2006年,在美国完成了学业的刘亮怀揣“空间冷原子钟”的梦想回国,2007年,在王育竹院士的指导下,刘亮研究员领导的空间冷原子钟团队成立,并于2010年完成了空间冷原子钟原理样机的研制和地面科学试验论证。2011年,空间冷原子钟实验CACES(ColdAtom Clock Experiment in Space )项目正式进入工程样机的设计与研制阶段。到2016年,经过近10年的艰苦努力,将国际首台空间冷原子钟成功送入太空。


刘亮研究员长期从事冷原子物理的实验研究。在“压泊松光子统计验证”研究工作的理论与实验中,作出了突出贡献,该项研究成果获得国家自然科学三等奖、中科院科技进步二等奖。在国际著名科学家H.Metcalf教授指导下进行了“暗态”激光冷却机制研究,取得了丰富成果。他的这项成果使人们认识到一种新的亚光子动量冷却机制,对超冷原子物理研究尤为重要。


回国后,刘亮研究员领导团队成功研制了空间冷原子钟,同时,领导团队实现了积分球冷原子钟运行,为下一代高精度星载原子钟的应用奠定技术基础。

 

十年磨一剑:空间冷原子钟青年科研团队

自2007年,空间冷原子钟研制团队组建以来,这支平均年龄不到三十岁的青年队伍伴随着空间冷原子钟的“孕育”迅速成长。


空间冷原子钟载荷的研制是包含了物理学、光学、机械、热学、电子学、软件等多学科集成的复杂工程。十年间,团队中各方力量紧密配合,突破了一项又一项技术难关,涌现出多个青年科研骨干,最终让国际首台“空间冷原子钟”的科技梦想得以实现。






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