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空间冷原子钟技术

中国激光 2024年第11期 209-230页

作者：项静峰任伟邓思敏达刘亮吕德胜中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室中国科学院大学材料科学与光电子学技术学院

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... 详细信息

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。

关键词：冷原子原子钟光钟频率稳定度频率不确定度空间站

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基于腔内原位探测的空间冷原子微波钟

仪器仪表学报 2024年第2期45卷 95-101页

作者：吕德胜任伟项静峰赵剑波邓思敏达中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部上海201800

原子钟作为目前最精密的计时仪器,在国民经济和国家安全各领域发挥着重要作用。在地球轨道卫星上运行高精度原子钟,可以在地球大范围内开展高精度时间同步与比对。不同于以往通过抛射冷原子团两次经过微波腔实现Ramsey微波作用的空间冷... 详细信息

原子钟作为目前最精密的计时仪器,在国民经济和国家安全各领域发挥着重要作用。在地球轨道卫星上运行高精度原子钟,可以在地球大范围内开展高精度时间同步与比对。不同于以往通过抛射冷原子团两次经过微波腔实现Ramsey微波作用的空间冷原子钟,提出了一种新型的基于腔内原位探测的空间冷原子微波钟方案,在同一微波谐振腔内先后完成铷87原子的激光冷却、原子微波相互作用、冷原子探测等过程。该方案可以更好的利用微重力环境提高钟周期中原子与微波相互作用时间的占空比,从而有效减小Dick效应对原子钟性能的影响。介绍了冷原子微波钟系统设计与工作原理,给出了微重力环境下性能分析和预期指标,最后展示了冷原子微波钟地面测试中获得的大约为1.35×10^(-12)τ^(-1/2)的频率稳定度,初步展示了新型空间冷原子钟方案的可行性。

关键词：原子钟微重力微波腔空间站频率稳定度

Physics package based on intracavity laser cooling 87Rb atoms for space cold atom microwave clock

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Chinese Physics B 2024年第7期 32-37页

作者：邓思敏达任伟项静峰赵剑波李琳张迪万金银孟艳玲蒋小军李唐刘亮吕德胜 Aerospace Laser Technology and System Department Shanghai Institute of Optics and Fine MechanicsChinese Academy of Sciences Key Laboratory of Quantum Optics Shanghai Institute of Optics and Fine MechanicsChinese Academy of Sciences Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering University of Chinese Academy of Sciences

This article proposes a new physics package to enhance the frequency stability of the space cold atom clock with the advantages of a microgravity environment. Clock working processes, including atom cooling, atomic state preparation,microwave interrogation, and transition probability detection, are integrated into the cylindrical microwave cavity to achieve a high-performance and compact physics package for the space cold atom clock. We present the detailed design and ground-test results of the cold atom clock physics package in this article, which demonstrates a frequency stability of 1.2 × 10-12τ-1/2with a Ramsey linewidth of 12.5 Hz, and a better performance is predicted with a 1 Hz or a narrower Ramsey linewidth in microgravity environment. The miniaturized cold atom clock based on intracavity cooling has great potential for achieving space high-precision time-frequency reference in the future.

关键词：

可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场的设计与优化

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光学学报 2021年第19期41卷 45-51页

作者：程鹤楠邓思敏达张镇项静峰任伟吉经纬刘亮吕德胜中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室上海201800 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100000

喷泉钟量子化轴磁场的空间均匀性和时间稳定性是制约原子钟输出频率稳定度和不确定度的重要因素。从外磁场屏蔽、磁场线圈设计、线圈电流源稳定性等方面考虑,构建并优化设计了一套可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场系统。为了消除环境磁... 详细信息

喷泉钟量子化轴磁场的空间均匀性和时间稳定性是制约原子钟输出频率稳定度和不确定度的重要因素。从外磁场屏蔽、磁场线圈设计、线圈电流源稳定性等方面考虑,构建并优化设计了一套可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场系统。为了消除环境磁场对量子化轴磁场的影响,使用5层坡莫合金磁屏蔽进行外磁场的屏蔽;利用4组对称的补偿线圈,通过计算给予合适的电流,获得喷泉钟内部30 cm原子自由飞行尺度内磁场波动小于1 nT;通过改善C场供电电流方式,从而优化量子化轴磁场的时间稳定性,磁场随时间的波动小于0.1 nT。优化后喷泉钟长期频率稳定度达2.9×10^(-16),磁场空间分布不均匀性带来的二阶塞曼频移不确定度为3.4×10^(-19),由磁场随时间波动带来的二阶塞曼频移的不确定度为5.1×10^(-17)。

关键词：原子与分子物理学塞曼效应超精细结构原子钟磁敏跃迁法

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铷87原子双光子跃迁光谱稳频特性研究

中国激光 2023年第23期50卷 113-120页

作者：孟一鸣项静峰徐斌李彪万金银任伟邓思敏达张迪吕德胜中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部上海201800 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室上海201800 中国科学院大学北京100049

铷87的双光子光谱具有高信噪比、无多普勒展宽、窄线宽等特点。构建了基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考,分析测试了影响其短期稳定度的因素。利用778 nm外腔半导体激光器激发双光子跃迁产生420 nm荧光信号,通过荧光信号锁定激光器... 详细信息

铷87的双光子光谱具有高信噪比、无多普勒展宽、窄线宽等特点。构建了基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考,分析测试了影响其短期稳定度的因素。利用778 nm外腔半导体激光器激发双光子跃迁产生420 nm荧光信号,通过荧光信号锁定激光器频率。探讨了谱线线宽、信噪比、功率、温度相关的谱线展宽、光频移、系统结构稳定性和调制宽度等对频移和稳定度的影响。采用螺栓锁紧结构固定光学元件,大幅改善了光学对准引起的稳频误差,通过直接调制激光器电流实现了秒级稳定度为1.5×10^(-12)、500 s稳定度为2.88×10^(-13)的光学频率参考。与其他基于饱和吸收的光学频率参考相比,构建的基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考的稳定度提高了10~100倍。光学对准对于提高荧光探测信噪比和优化长期稳定度具有重要意义。验证了内调制实现双光子光学频率参考的可行性,并提出了进一步优化短期稳定度和长期稳定度可采用的技术方案。

关键词：激光器双光子跃迁激光稳频光学对准频率稳定度

State Preparation in a Cold Atom Clock by Optical Pumping

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Chinese Physics Letters 2017年第7期34卷 66-70页

作者：段玉雄汪斌项静峰刘乾屈求智吕德胜刘亮 Key Laboratory of Quantum Optics and Center for Cold Atom PhysicsShanghai Institute of Optics and Fine MechanicsChinese Academy of SciencesShanghai 201800 University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049

We implement optical pumping to prepare cold atoms in our prototype of the ST Rb space cold atom clock, which operates in the one-way mode. Several modifications are made on our previous physical and optical system. The effective atomic signal in the top detection zone is increased to 2.5 times with 87% pumping efficiency. The temperature of the cold atom cloud is increased by 1.4 μK. We study the dependences of the effective signal gain and pumping efficiency on the pumping laser intensity and detuning. The effects of σ transition are discussed. This technique may be used in the future space cold atom clocks.

关键词： State Preparation in a Cold Atom Clock by Optical Pumping

基于人工神经网络在线学习方法优化磁屏蔽特性参数

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物理学报 2019年第13期68卷 77-86页

作者：彭向凯吉经纬李琳任伟项静峰刘亢亢程鹤楠张镇屈求智李唐刘亮吕德胜中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电子研究中心北京100049

磁屏蔽在磁场敏感的装置如原子钟、原子干涉仪等精密设备中发挥重要的作用,在变化外磁场下的某个磁屏蔽内部剩余磁场,可以通过Jiles-Atherton磁滞模型和磁屏蔽系数计算得出,根据计算结果可以进行主动补偿来抵消内部磁场的改变.然而实际... 详细信息

磁屏蔽在磁场敏感的装置如原子钟、原子干涉仪等精密设备中发挥重要的作用,在变化外磁场下的某个磁屏蔽内部剩余磁场,可以通过Jiles-Atherton磁滞模型和磁屏蔽系数计算得出,根据计算结果可以进行主动补偿来抵消内部磁场的改变.然而实际应用中磁滞模型中五个与磁屏蔽相关的参数以及磁场衰减的两个参数的准确值的获得是比较困难的,通常根据实测磁滞回线人工匹配调节参数会花费大量时间且很难确保最终参数是全局最优值.基于人工神经网络的机器学习方法已经成为一种对复杂模型进行参数优化的有效手段,得益于现代计算机强大的运算能力,该过程通常远远快于人工参数调节,并有更大概率找到全局最优值,获得优于手工调节的参数值.本文利用人工神经网络在线机器学习的方法,对磁滞模型的五个参数与磁屏蔽的另外两个屏蔽相关参数进行优化测定,并对模拟卫星磁场环境下磁屏蔽内剩余磁场进行预测.通过实际测量屏蔽筒内剩余磁场与预测值比对,发现通过机器学习方法得到的磁屏蔽特性参数优于手动找到的参数,且所用时间大大缩短.该结果不仅有助于更好地进行磁场补偿,用于冷原子系统参数优化调整,更重要的是验证了神经网络在多参数物理系统中的应用,可以使其他多参数共同作用的物理实验进行最优参数的快速确定.

关键词：人工神经网络磁屏蔽磁滞效应冷原子钟

Integrated design of a compact magneto-optical trap for space applications

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Chinese Optics Letters 2015年第6期13卷 61-64页

作者：屈求智汪斌吕德胜赵剑波叶美凤任伟项静峰刘亮 Key Laboratory for Quantum Optics Shanghai Institute of Optics and Fine MechanicsChinese Academy of Sciences

In this Letter, we describe an optical assembly that is designed for the engineering application of the atomic laser cooling techniques. Using a folded optical path scheme, we have built a miniaturized, compact magneto-optical trap （CMOT） for an ^87Rb atomic fountain clock. Compared with the conventional magneto-optical traps used in other clocks, our system is more robust, more compact, more stable, and saves about 60% laser power. This optical setup has operated for about a year in our fountain system, passed the thermal cycle tests and the mechanical vibration and shock tests, and maintained a high performance without a need for realignment.

关键词： Clocks Laser cooling Space applications Vibrations (mechanical)

基于DSP技术的外腔半导体激光器自动稳频系统

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光学学报 2017年第9期37卷 139-147页

作者：项静峰王利国李琳吕德胜刘亮中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室上海201800 中国科学院大学北京100049

实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和... 详细信息

实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和吸收信号和鉴频信号,由DSP芯片对采集到的数字信号进行处理和分析。DSP芯片利用通用输入输出端口控制调制信号的开关状态,通过数模转换器控制激光频率扫描以及输出数字反馈。利用所述的激光稳频技术不仅实现了外腔半导体激光器自动稳频,而且能够实时评估激光器的锁定情况,在激光器失锁后及时重新锁定,提高了激光器的长期运行能力。最后,将使用自动稳频技术的激光器应用于空间冷原子钟原理样机地面实验中,该稳频激光可以满足相关科学实验的需求。

关键词：激光器激光稳频自动控制外腔半导体激光器饱和吸收光谱