空间冷原子钟及其科学应用

    1 概述

    原子钟（原子时间频率标准）是人类科学技术活动的基本条件。时间频率测量准确度和精确度的提高，将从根本上改变一系列重大自然科学和应用技术的面貌。在基础科学研究上，如广义相对论的验证、光速各向异性的测量、引力梯度测量、原子物理常数随时间变化的测量等，都需要精密的计时标准。在应用技术发展中，原子钟最为重要的应用之一是用于全球定位导航系统（GPS）。导航定位系统系统在国防、工业、农业、科研、运输和环境等诸多科学技术中有着广泛的重要应用。另外，在航空航天领域特别是深空探测方面，都需要精密计时技术的支持，人类的活动范围越广泛，对计时标准的要求就越高。

    目前投入应用的精度最高的原子钟是喷泉钟，各国喷泉钟实现国际秒定义准确度在 (0.6~3)×10^-15之间^[1-3]。喷泉钟有如此高的精度主要原因是激光冷却技术的应用，和以前的铯束原子钟相比，冷原子喷泉工作模式让原子和微波相互作用时间延长了两个数量级。然而在地面喷泉钟运行过程中，由于重力作用，原子和微波腔两次作用时间间隔一般在 1s 左右，鉴频谱线宽度限制在 1Hz 左右，准确度和稳定度很难进一步提高。在空间微重力的条件下，激光冷却的超冷原子和微波腔相互作用时间可以提高一个数量级，从而原子钟的精度相应地提高。目前空间冷原子钟设计精度能达 10^-17量级，欧州空间局（ESA）和美国航空航天局（NASA）相继开展空间冷原子钟研究，目前比较确定的空间冷原子钟项目为欧洲空间局的 ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) 项目，计划在 2013 年将系统（包括空间冷原子钟、氢钟和空地时频传输系统）发射到国际空间站。

    空间实验室和空间站建设是我国载人航天计划的重要部分，从载荷体积重量和空间站运行轨道来看，高精度空间冷原子钟适合作为空间站的一个有效载荷。作为精确定位技术的核心技术和关键内容，高精度原子钟的研究显得更加重要。中科院上海光机所早在十多年前就提出空间冷原子钟立项的建议，并提出移动微波腔模式的空间冷原子钟方案。目前上海光机所在铷原子喷泉钟多年研究的基础上，在空间冷原子钟研究方面也取得了突破性进展。

    本文首先介绍原子钟和空间冷原子钟基本原理，然后阐述空间冷原子钟在高技术和基础物理方面的应用，最后展望空间冷原子钟在时频领域的远景。

    2 原子钟以及空间冷原子钟基本原理

    原子钟基本原理如图 1-a，晶体振荡器一部分信号经过放大后作为原子钟时间频率信号输出进行应用；另一部分信号经过一定的频率变换（变换后频率通常为微波段） 和原子钟跃迁能级近共振并和原子相互作用，对振荡器进行小范围调制可以从原子和微波相互作用后原子能级间的跃迁几率对微波频率进行鉴定，利用负反馈控制晶体振荡器使振荡器输出频率锁定在原子钟跃迁能级频率差上。此时如果忽略环路中引入的其他误差，振荡器输出频率稳定度就和原子能级间频率差稳定度一致。