光学频率合成器

从光学频率合成器的基本原理出发,分析了飞秒锁模脉冲激光在时域和频域上的分布特征,并分别介绍了输出激光的两个重要参数即重复频率fr和零频fceo的几种控制方法,以及光学频率合成器实现频率连接和转换的过程,最后介绍了光学频率合成器两次国际比对研究与结果.     

四通道超稳腔的振动分析及热分析

镱原子光钟是当前稳定度最好的光钟,其稳定度已经进入10-19的量级。依托于高精度的镱原子光钟,可以开展广义相对论的检验以及测地学等领域的科学和应用研究。镱原子光钟研制过程中需要用到多种频率的光,所以针对这些激光的频率控制是镱原子光钟研制的一项关键技术问题。本文针对钟激光以外其他四种激光的频率控制要求,以一个四通道超稳光学腔设计作为其频率锁定方案。利用有限元分析方法,得到了超稳光学腔处于最佳支撑位置处的振动敏感度和温度敏感度。分析结果表明:在最佳支撑位置处,光学腔超稳在竖直方向上的振动敏感度为4.0×10~(-9)/g,热时间常数为53 h。对周期为24 h的典型实验环境温度293.15±1 K的条件下,计算获得的温度敏感度为1.3×10~(-4)。该四通道超稳光学腔能够同时满足镱原子光钟系统中除钟激光外其他激光的频率稳定度要求。这种简化的四通道超稳腔稳频设计方案,为今后镱原子光钟的小型化、集成化设计提供一种新技术尝试。     

通过减小碰撞导致的退相干和谱线增宽提高光晶格钟稳定度

在⁸⁷Sr空间光晶格钟原理样机上实验观测了原子碰撞对谱线激发率抑制以及对谱线的展宽，并观测到由非弹性碰撞导致的原子损耗。通过简单地将原子数从6000减小至2000，实现了线宽为1.9 Hz的钟跃迁谱线，并将空间光晶格钟原理样机的稳定度提升至1×10^-15(τ/s)^-0.5。相关实验结果对研究光晶格的多体相互作用对钟跃迁谱线的影响具有重要意义。     

氢钟测量死时间导致的光频测量统计不确定度分析

利用87Sr光晶格钟与氢钟的频率比对测量了氢钟的频率稳定度。在89%的光晶格钟有效运行率下，经过约10 d的测量得出氢钟的频率稳定度，并由此推导出氢钟噪声模型的相关参数。根据氢钟噪声模型生成的随机噪声序列，对由测量死时间导致的频差进行了100次模拟，并以模拟结果的1倍标准差为测量不确定度。不同有效运行率下，氢钟测量不确定度的计算结果表明，由氢钟测量死时间导致的不确定度随有效运行率的增加而减小，且在有效运行率小于10%时，增加总的测量时间可以显著减小测量不确定。     

基于奇异谱分析的BDS卫星钟差周期项提取

在建立星座自主时间基准时，必须扣除卫星钟差的周期波动，以避免将其引入系统时间。为准确地扣除周期波动，提出一种基于奇异谱分析（SSA）的BDS卫星钟差周期项提取方法。首先，经SSA分解获得钟差信号的多个重构成分；然后，引入重标极差分析方法计算各重构成分的Hurst指数，根据Hurst指数辨识钟差的低频信号主导分量和高频信号随机分量，从而实现周期项的重建提取。对不同类型的BDS卫星钟进行了分析和研究，结果表明：所提方法能够准确提取钟差周期项，所提取周期项的频谱特征比钟差多项式拟合残差的频谱更为清晰；利用多项式拟合方法扣除周期项后，万秒稳和日稳平均分别提升4.1%和2.4%，而利用所提方法扣除周期项后，万秒稳和日稳平均分别提升20.9%和34.1%，提高了卫星钟频率稳定度，为星座自主时间基准的建立提供了基础。     

从引力波探测中的压缩光到光原子钟

2020 年度“墨子量子奖”授予量子精密测量领域, 获奖科学家是 Carlton Caves, 香取秀俊和叶军. 香取秀俊和叶军又获得2021 年基础物理学突破奖. 对于引力波探测中的量子噪声,Caves 分析了海森堡不确定关系所带来的测量精度极限, 并且提出用压缩光来克服这个极限. 这个方法已经被探测引力波的激光干涉仪实际采用. 原子钟基于原子中电子改变能量状态时, 发射或吸收的电磁波, 提供了最精确的时间和频率标准. 与基于微波的原子钟相比. 光原子钟, 特别是光晶格上的大量原子, 可以达到更好的精度. 叶军的研究组将约1 万个锶原子放在3 维光晶格中, 实现光原子钟, 相对精度达到2.5 × 10-19 . 香取秀俊的研究组搭建的两个可移动光原子钟, 精度达到了5 ×10-18 , 并用来测量了引力红移, 达到地面测量的最好精度.     

基于多普勒测速法的永磁体塞曼减速器研究北大核心CSCD

为实现锶原子光钟的空间应用,采用永磁体塞曼减速器,可有效规避塔状线圈造成的高功耗和体积占比大的问题,利于光钟的空间化发展。基于永磁体构建锶光钟的环状和柱状塞曼减速器,在减速原理、磁场构建和样品研制方面各有优劣,利用多普勒测速法可对两种减速器的减速效率进行测量,可将两种减速器的减速分布曲线累计分布后对比。实验结果表明:两种永磁体塞曼减速器都达到一定减速效果,但环状永磁体塞曼减速器在体积和减速效果上,相较单x方向的柱状永磁体塞曼减速器,体积减少了60%,重量减少了80%,减速效果部分区域效率高一倍,因此优势更为显著。进一步采用环状永磁体塞曼减速器俘获锶原子的三种同位素,完成了小型化锶原子光钟的一级俘获,满足零功耗、体积小的紧凑化光钟设计需求。