科苑榜样|把光钟送上太空的年轻人

编者按:光钟,是一种大型复杂精密装置。在实验室中,它往往占地十几平方米,运行环境必须恒温、恒湿、隔振,条件极为苛刻。正因如此,将光钟送入太空,难度巨大。

      在中国科学院国家授时中心牵头下,联合中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院大学杭州高等研究院、国防科技大学等多个团队,以全新的物理思路,逐一攻克了技术与工程上的重重难关,最终成功研制出我国首台空间光钟,并搭载于空间站梦天实验舱。

      今天,来自中国科学院国家授时中心夏健同学,向我们讲述在光钟研发中,青年学子传承和弘扬老一辈授时人的“326”精神与“CAPS”精神,积极参与国家重大科研项目,为国家发展贡献青春力量的动人故事。
                                    

夏健,中国科学院大学2024级博士研究生,培养单位为中国科学院国家授时中心,导师为常宏研究员,研究方向为冷原子锶光钟。

从“地面”到“太空”的挑战

      “我于2017年进入国家授时中心,那时的中心,正承担载人航天空间应用系统高精度时频实验系统的研制任务。我加入到了最具挑战的光钟团队,主要负责软件系统的设计工作。在导师的指导下,我全身心投入项目,参与攻克光钟“上天”的难题。”

      光钟是一种高精度的计时装置,光钟的发展对卫星导航、通信及计算机网络同步等应用领域会产生深远影响。但传统光钟体积庞大、系统复杂,运行过程中对环境要求极为严苛,且需要专业人员全程监视与参数调节,这些因素严重限制了光钟的应用范围,是将光钟从实验室推向工程应用,尤其是实现空间运行的关键挑战之一
如何应对此项挑战?是实现控制系统的自主运行和参数的动态调节
      “为此,我们团队系统分析了光钟在轨运行的控制流程与处理策略,全面测试了各类激光器的性能特性,最终,完成了全新的光钟软件系统的设计与开发。
      结果是令人欣慰的,但研制过程着实是无比艰辛的。一方面所有的部组件均需重新自主设计、工作量巨大,另一方面航天应用的严苛要求使得技术难度成指数增长,而且毫无前人的经验可以借鉴。项目在2018年完成关键技术攻关,从2019年正式开始工程研制直到2022年10月随梦天舱发射入轨,整个研制工作持续长,投入研究人员多。尤其在疫情期间,大家都封闭在实验室进行攻关,有的人甚至几个月不回家,上下铺的架子床就摆在实验室隔壁,累了自己去休息一会、醒了就继续回到实验室调试,研制工作昼夜不停。

天地协同,精准“把脉”

       “空间光钟成功发射入轨后,我们随即进驻中国载人航天有效载荷运控中心,开展在轨实验任务。然而,挑战依然存在,一是在轨运行的空间光钟缺乏实验室的专业测试设备,只能依靠有限的遥测数据和工程参数来判断其状态;二是实验指令需通过运控中心远程注入,但在测控弧段之外,是无法对光钟进行控制和监视。因此安全与可靠,是决定实验成败的关键。”

如何才能精准“把脉”实验发展?唯有依靠严谨的科学态度。
      “我们首先在实验室搭建了空间光钟的地面镜像系统,通过天地数据比对,快速判断空间光钟的运行状态。每次在轨实验前,我们都先在地面镜像环境中完成验证,并制定详细的实验细则。随后,与运控专家共同评审测试方案,结合实验内容和测控条件规划实验时间,再按计划执行在轨实验。实验结束后,再利用镜像系统验证现象、比对数据。”
      由于运行环境的变化,每一项在轨实验数据都需要经过“实验室验证-在轨实验-数据分析-再验证-再实验”的反复确认,试验队采取西安实验室+北京运控中心两地工作的模式,连续几年的节假日都是在调试现场度过,只为了能将实验进度再往前推一点。
      尽管流程更为繁琐,但实验的安全性与可靠性显著提升,在轨实验周期也大幅缩短。经过不懈努力,空间光钟在国际上首次实现空间碱土金属原子的激光冷却,为在轨闭环运行奠定了坚实基础
                                       

                                       

时间之梦,照亮星空

      “看着从空间站传回的冷却原子团图像,我满怀自豪,这不仅标志着我国在空间冷原子物理领域迈出了关键一步,还为高精度空间光钟的研制和应用铺平了道路。现在的我对未来充满期待。我深知,自己的科研梦想正随着祖国的空间站一同运行——它或许微小,却如时间频率信号般准确而坚定。”

                                         

    光钟是以原子在光波波段跃迁频率为基准的高精度计时装置,其频率不确定度已经达到10-18量级、比传统微波钟高出2–3个数量级,有望重新定义国际单位“秒”。

     近年来,国家授时中心在光钟研究领域屡获突破:2023年,锶光晶格钟通过守时氢钟和卫星链路溯源国际原子时,实现绝对频率测量;利用弗洛凯技术抑制浅光晶格中的隧穿效应,获得线宽达Hz量级的钟跃迁谱线,获中国光学十大进展提名奖;2025年,空间光钟在国际上首次实现在轨碱土金属激光冷却;同年,成功研制出频率不确定度优于2×10-18的锶光晶格钟,使中国成为继美国之后第二个实现该指标的国家标志着我国在光晶格钟研制方面已步入世界领先行列。