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光学工程
空间冷原子钟磁光阱集成设计

激光冷却原子系统是空间冷原子钟的核心光机装置。激光冷却原子最常用的技术是采用磁光阱(MOT)将原子捕获与囚禁,冷却至微K量级的极低温度,再进一步进行原子操控与测量。面对火箭发射和空间热、振动、磁场变化等复杂环境的挑战,地面磁光阱技术必需进行工程化集成,在小型化、轻量化和低功耗的要求下全面提高系统稳定性。

2007~2015年,中国科学院上海光机所刘亮研究员领导的空间冷原子钟小组先后完成了空间冷原子钟原理样机、工程初样和飞行正样件的研制。刘亮小组采用折叠光路的技术方案,将真空十四面体、冷却光源组件、反射镜组件、中转镜组件以及反亥姆赫兹磁场线圈构成的磁光阱系统进行了光机系统设计,集激光扩束准直系统、折叠光路、偏振变换系统、磁场控制系统和冷原子荧光实时监测等功能于一体,将传统激光冷却磁光阱所需的六路激光减少为两路激光,节省了60%的激光功耗,最大程度的缩小了光机系统的体积和重量,简化空间拓扑结构,其力学性能和热环境适应性能通过了航天级力学振动试验、力学冲击试验、热循环试验和热真空试验等环模考验,在近一年的测试中,保持长期稳定工作,无需人工调整,原子捕获率变化不超过5%。相关研究成果发表在Chinese Optics Letters[13(06),061405(2015)]上。此项成果表明我国自行研制的激光冷却原子系统已经实现了工程化,可以满足各种冷原子物理和工程应用研究的需要。



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