光学学报, 2019, 39 (8): 0802001, 网络出版: 2019-08-07   

基于原位探测的空间冷原子钟的性能分析 下载: 1086次

Performance Analysis of Space Cold Atomic Clock Based on In-Situ Atomic Detection
彭向凯 1,2任伟 1项静峰 1王新文 1,2刘亮 1,2,*吕德胜 1,2,**
作者单位
1 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冷原子物理中心, 上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
摘要
在空间微重力环境下,应用激光冷却技术的空间冷原子钟有望获得更高精度的时间频率基准。提出了一种基于原位探测的新型空间冷原子钟方案,在开展冷原子俘获、冷却、选态、两次微波探寻与量子态探测等过程中,冷原子都保持在微波腔中,这种设计可以使单个原子钟的周期更短,微波探寻过程有更大的时间占空比,也能使原子钟的整体结构更加紧凑。在使用Boitier a Vieillissement Ameliore (BVA)晶振作为本振的条件下,从Dick效应与量子投影噪声两方面对原子钟的稳定度进行分析预估,然后分析了影响冷原子钟不确定的来源与估值,结果表明:基于原位探测的空间冷原子钟有望达到5.9×10 -14τ-1/2的稳定度以及1×10 -16的不确定度,该结果优于当前使用BVA晶振作为本振的其他冷原子微波钟的性能。
Abstract
The cold atomic clock, which uses laser cooling techniques, is expected to obtain more accurate time-frequency reference in the space microgravity environment than on the earth. This paper proposes a scheme for a new type of space cold atomic clock based on in-situ atomic detection. This design realizes the capture, cooling, state selection, microwave interrogation, and quantum state detection of cold atoms in a microwave cavity. Further, this design allows for a shorter clock cycle, higher time duty cycle for microwave interrogation, and a more compact structure than our previous space cold atomic clocks. Using a Boitier a Vieillissement Ameliore (BVA) crystal oscillator as a local oscillator, we analyze and estimate the stability of the cold atomic clock due to the Dick effect and quantum projection noise. In addition, we estimate sources affecting the uncertainty of the cold atomic clock. The results indicate that the proposed space cold atomic clock is expected to reach a stability of 5.9×10 14τ-1/2 and uncertainty of 1×10 -16. These results are superior to those of existing cold atomic microwave clocks which use a BVA crystal oscillator as a local oscillator.

彭向凯, 任伟, 项静峰, 王新文, 刘亮, 吕德胜. 基于原位探测的空间冷原子钟的性能分析[J]. 光学学报, 2019, 39(8): 0802001. Xiangkai Peng, Wei Ren, Jingfeng Xiang, Xinwen Wang, Liang Liu, Desheng Lü. Performance Analysis of Space Cold Atomic Clock Based on In-Situ Atomic Detection[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(8): 0802001.

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