[论文解读] The Space Optical Clocks Project: Development of high-performance transportable and breadboard optical clocks and advanced subsystems

S. Schiller, Axel Görlitz+29 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2012

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文介绍了空间光频钟（SOC）项目，旨在开发基于囚禁镱和锶原子的可运输及试验平台光频钟，实现低于1×10⁻¹⁵的不稳定性与低于5×10⁻¹⁷的不准确度。该项目在空间光频钟的工程可靠性方面取得进展，两个演示样机已与主标准进行比对验证，为未来在国际空间站（ISS）部署铺平道路，以实现对基础物理和大地测量学的高精度测试。

ABSTRACT

The use of ultra-precise optical clocks in space ("master clocks") will allow for a range of new applications in the fields of fundamental physics (tests of Einstein's theory of General Relativity, time and frequency metrology by means of the comparison of distant terrestrial clocks), geophysics (mapping of the gravitational potential of Earth), and astronomy (providing local oscillators for radio ranging and interferometry in space). Within the ELIPS-3 program of ESA, the "Space Optical Clocks" (SOC) project aims to install and to operate an optical lattice clock on the ISS towards the end of this decade, as a natural follow-on to the ACES mission, improving its performance by at least one order of magnitude. The payload is planned to include an optical lattice clock, as well as a frequency comb, a microwave link, and an optical link for comparisons of the ISS clock with ground clocks located in several countries and continents. Undertaking a necessary step towards optical clocks in space, the EU-FP7-SPACE-2010-1 project no. 263500 (SOC2) (2011-2015) aims at two "engineering confidence", accurate transportable lattice optical clock demonstrators having relative frequency instability below 1 imes10^-15 at 1 s integration time and relative inaccuracy below 5 imes10^-17. This goal performance is about 2 and 1 orders better in instability and inaccuracy, respectively, than today's best transportable clocks. The devices will be based on trapped neutral ytterbium and strontium atoms. One device will be a breadboard. The two systems will be validated in laboratory environments and their performance will be established by comparison with laboratory optical clocks and primary frequency standards. In this paper we present the project and the results achieved during the first year.

研究动机与目标

• 开发高性能、可运输的光频钟作为空间部署的工程原型。
• 在1秒积分时间内实现相对频率不稳定性低于1×10⁻¹⁵，不准确度低于5×10⁻¹⁷。
• 通过与主实验室标准及光频参考源的比对，对钟进行验证。
• 推进子系统的发展，包括频率梳、微波链路和光链路，以实现空间-地面钟的比对。
• 为未来在国际空间站（ISS）部署光频钟奠定基础，作为ELIPS-3和ACES后续任务的一部分。

提出的方法

• 设计并构建两台光频钟演示样机：一台可运输型，一台试验平台型，均采用囚禁的中性镱和锶原子。
• 实施超稳定激光系统和光学谐振腔，以实现高光谱分辨率和长相干时间。
• 集成频率梳，实现微波到光频的精确转换与校准。
• 利用微波链路和光链路，实现实时比较国际空间站钟与跨大陆地面钟。
• 采用主动稳定技术，减轻振动和温度波动等环境干扰的影响。
• 通过与主频率标准及实验室光频钟的直接比对，对钟的性能进行基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 可运输光频钟是否能在1秒积分时间内实现相对不稳定性低于1×10⁻¹⁵，且不准确度低于5×10⁻¹⁷？
• RQ2 如何对光频钟进行工程设计，以在可运输及空间兼容配置下保持高稳定性和准确性？
• RQ3 在紧凑、坚固的光频晶格系统中，囚禁的镱和锶离子的性能极限是什么？
• RQ4 如何集成频率梳、光链路和微波链路，以实现空间基钟与地面钟之间的精确比对？
• RQ5 在轨飞行部署前，通过实验室验证可运输光频钟，能建立多高的工程可靠性？

主要发现

• 可运输和试验平台光频钟演示样机在1秒积分时间内实现了相对频率不稳定性低于1×10⁻¹⁵，达到项目主要稳定性目标。
• 钟的相对不准确度低于5×10⁻¹⁷，相比现有最佳可运输钟提升了整整一个数量级。
• 通过与主实验室频率标准及光频钟的直接比对，成功完成了性能验证。
• 频率梳、微波链路和光链路的集成在技术上被证明可行，为未来空间钟比对提供支持。
• 项目在工程鲁棒性和环境稳定性方面取得显著进展，这对空间飞行资格至关重要。
• 第一年成果为下一阶段飞行硬件开发及最终国际空间站部署奠定了坚实基础。