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光學工程
空間冷原子鐘磁光阱集成設計

激光冷卻原子系統是空間冷原子鐘的核心光機裝置。激光冷卻原子最常用的技術是采用磁光阱(MOT)將原子捕獲與囚禁,冷卻至微K量級的極低溫度,再進一步進行原子操控與測量。面對火箭發射和空間熱、振動、磁場變化等復雜環境的挑戰,地面磁光阱技術必需進行工程化集成,在小型化、輕量化和低功耗的要求下全面提高系統穩定性。

2007~2015年,中國科學院上海光機所劉亮研究員領導的空間冷原子鐘小組先后完成了空間冷原子鐘原理樣機、工程初樣和飛行正樣件的研制。劉亮小組采用折疊光路的技術方案,將真空十四面體、冷卻光源組件、反射鏡組件、中轉鏡組件以及反亥姆赫茲磁場線圈構成的磁光阱系統進行了光機系統設計,集激光擴束準直系統、折疊光路、偏振變換系統、磁場控制系統和冷原子熒光實時監測等功能于一體,將傳統激光冷卻磁光阱所需的六路激光減少為兩路激光,節省了60%的激光功耗,最大程度的縮小了光機系統的體積和重量,簡化空間拓撲結構,其力學性能和熱環境適應性能通過了航天級力學振動試驗、力學沖擊試驗、熱循環試驗和熱真空試驗等環模考驗,在近一年的測試中,保持長期穩定工作,無需人工調整,原子捕獲率變化不超過5%。相關研究成果發表在Chinese Optics Letters[13(06),061405(2015)]上。此項成果表明我國自行研制的激光冷卻原子系統已經實現了工程化,可以滿足各種冷原子物理和工程應用研究的需要。



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