空间锶原子光钟若干关键技术研究

The space optical clock can be used as a platform for the establishment of ultra precision time and frequency standard, which can make a more accurate detection of the physical world. This project is planned to research the key technology of space strontium atomic optical clock in spacecraft. It’s a challenge to our existing technology due to the hard constraints and demands of space optical clock’s parameters, such as volume, quantity, power dissipation, reliability and so on. On account of the key technology on the miniaturization of space optical clock’s physical system, simplicity and high reliability of the optical system, we carry out the following research: (1) the space optical clock’s physical system; (2) generation and frequency stabilization of space optical clock’s laser source; (3) cavity enhanced technique in the optical lattice. On the base of breaking through the technical problem of space optical clock, we planned to finish the principled machine and achieve the second stability preceding 1×10-15 with the uncertainty of 2×10-17. The finished space optical clock, in the future, as a super high accuracy of time and frequency detecting platform could verify the basic physical law and theory. It also offer the highest accuracy of time and frequency standard for other space astronomical detection to explore the remoter, deeper and more expansive space.

空间光钟可以作为建立基于空间的超高精度时间频率平台，可对物理世界做更为精确的探测，对基础科学研究和实际应用都有重要的意义。本项目计划开展锶原子光钟作为有效载荷置于空间飞行器上的研究，突破空间锶原子光钟研制中的关键技术难题。由于空间光钟在体积、质量、功耗、可靠性等参数上均有严格的约束和要求，对现有技术是极大的挑战。本项目针对空间光钟物理系统小型化，光学系统的简洁化及高可靠性这些关键技术问题，重点开展以下具体技术研究：（1）空间光钟物理系统的研制；（2）空间光钟光源的产生及频率稳定技术；（3）腔增强的光晶格技术。在突破空间光钟技术难题的基础上，完成空间锶原子光钟原理样机闭环工作，预期实现秒稳优于1×10-15,不确定度达到2×10-17。研制成的空间锶原子光钟未来作为超高精度的时间频率探测平台检验基础物理定律和理论，并为其它空间探测提供最高精度的时间频率基准，探索更遥远、更深邃、更广阔的宇宙.

完成了项目预期研究目标和内容，实现了相关功能，基本达到了预期效果，具体包括：.1）地面基准锶原子光钟实现自比对稳定度进入E-18量级。通过数值模拟与实验测量相结合的方式定量的研究了漂移速率与自比对测量误差的关系，利用实验测量的结果从自比对测量频差里面实时扣除钟激光频率漂移的影响，将光晶格中自比对稳定度提升至9E-18@100000s。.2）原创性提出并实现了双激发谱锶原子光钟，并应用调制谱测量钟激光斯塔克频移，利用一台一维光晶格钟进行同步频率测量的方法，发展出了在同一空间中独立地探测两团原子钟跃迁频率的双激发谱技术，并成功应用于光晶格钟闭环运行，钟反馈的周期减少一半，从而Dick效应的影响直接减小一半，将光钟的稳定度提高了至少1.4倍，大大缩短了光钟达到特定测量精度所需的时间。.3）实现了锶原子光晶格钟平台上的弗洛凯精密调控，国际上首次在锶原子光晶格钟平台上观测到弗洛凯准粒子的干涉效应，在87Sr光晶格钟平台上通过对晶格入射光的频率进行周期驱动（低频）实现了对原子内态能级的周期调制，成功实现了对Landau-Zener哈密顿量的量子模拟，实现了高绕数一维拓扑绝缘体的量子模拟。.4）完成了空间光钟原理样机的研制，实现了自比对频率稳定度为2.6E-15/√τ。目前正在开展正样研制，预期2022年随空间站实验舱2发射。.5）基于锶原子光钟实验平台提出一种量子随机数产生方法，利用同一套实验装置并行产生量子随机数的研究，实验结果可在利用Monte Carlo方法对原子钟相关物理机制进行模拟的过程中得到应用。