利用传输腔技术实现镱原子光钟光晶格场的频率稳定

为了获得高稳定度和高精确度的原子光晶格钟,光晶格场的频率必须得到锁定,线宽必须控制到特定水平用来消除交流斯塔克频移.本文提出利用传输腔技术来实现对镱原子光钟的光晶格场的频率锁定和抑制频率长期漂移的锁定方案.首先,将一个殷钢材料的传输腔锁定在基于调制转移谱技术锁定的780 nm激光场上,再将759 nm的光晶格光场锁定在传输腔上.实验结果表明,光晶格光场的线宽可以锁定和控制在1 MHz以下.光晶格光场与锁定于氢钟的光梳拍频结果显示,光晶格光场的长期频率稳定度优于3.6×10~(-10),可以确保实现镱原子光钟的不确定度进入10~(-17).     

用于镱原子光钟759nm光晶格激光的频率锁定

本文报道了一种用于镱原子光钟的759nm光晶格激光频率锁定方法。759nm激光通过PoundDrever-Hall(PDH)技术锁定在一个腔长为10cm的超低膨胀系数(ULE)的高细度Fabry-Perot(FP)腔上。激光频率被锁定后的测量结果表明,759nm的光晶格激光线宽被压窄到小于200kHz;运用频率锁定的759nm激光和飞秒光梳拍频来监测超稳腔的长期漂移率,结果显示ULE超稳腔的漂移率为0.16 Hz/s。将锁定后的759nm光晶格激光用于镱原子光钟光晶格的装载,实现了镱原子在光晶格场中的稳定装载以及对光晶格场频率的精确控制,从而为镱原子光钟的闭环运转做了必要的技术准备。     

利用钟跃迁谱线测量超稳光学参考腔的零温漂点

在87Sr光晶格钟实验系统中,通过将自由运转的698 nm激光频率锁定在由超低膨胀系数的玻璃材料构成的超稳光学参考腔上,从而获得短期频率稳定性较好的超稳窄线宽激光.超稳光学参考腔的腔长稳定性决定了最终激光频率的稳定度.为了降低腔长对温度的敏感性,使激光频率具有更好的稳定度和更小的频率漂移,利用锶原子光晶格钟的钟跃迁谱线,测量了698 nm超稳窄线宽激光系统中超稳光学参考腔的零温漂点.通过对钟跃迁谱线中心频率随温度的变化曲线进行二阶多项式拟合,得到698 nm超稳窄线宽激光系统的零温漂点为30.63℃.利用锶原子光晶格钟的闭环锁定,测得零温漂点处698 nm超稳窄线宽激光系统的线性频率漂移率为0.15 Hz/s,频率不稳定度为1.6×10^–15@3.744 s.     

冷镱原子精密光谱的研究进展

文章简要介绍了冷原子精密光谱研究方面的重要进展,报道了作者所在课题组近年来在镱原子的激光冷却与囚禁、光晶格中冷镱原子的量子操控、冷镱原子钟跃迁谱的精密测量、冷镱原子光钟的闭环锁定和频率稳定性测量等方面所取得的最新研究结果,最后对光学原子钟的发展进行了展望。     

镱原子光钟基于FPGA控制系统的数据处理

高精度光钟被认为是广义相对论验证,相对论测地学以及暗物质探测的重要工具。镱原子光钟是目前国际上稳定度最好的光钟,通过36 h的平均可以进入10~(-19)的量级。控制系统是镱原子光钟的重要组成部分,它主要负责光钟系统的时序控制。本文提出一种基于Python语言支持的现场可编程门阵列(FPGA)控制系统,通过编译和调用Python程序包在FPGA上运行,用来产生光钟运行过程所需的各种控制信号,以及对镱原子光钟工作过程中获取的数据进行存储和后期处理。研究结果表明:基于FPGA控制系统的数据处理可以完全匹配传统Matlab和Origin软件的数据处理方法,获取μK量级冷原子的温度和Hz量级的钟跃迁谱线宽;另外,对复杂钟跃迁谱线实现高斯基函数的多峰拟合,通过与早期实验过程中噪声分析建立的数据库进行比对,用来作为光钟运行的过程分析和故障诊断,有助于未来将机器学习引入高精度原子光钟的数据处理用来实现引力波以及暗物质的探测。     

冷原子光钟

<正>光钟是近二十年来发展的一类新型原子钟,它参考的是具有高品质因子的光频跃迁,分为原子光钟和离子光钟。冷原子光钟利用激光冷却后的中性原子,这类原子一般是碱土金属或者类碱土金属原子,有镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、镱(Yb)和汞(Hg)等,它们最外层都有两个电子,单重态(ns~2)~1S_0至三重态(n snp)~3P_0之间的跃迁具有非常窄的线宽,是理想的光学频率参考源。冷原子光钟凭借其极高的频率准     

时间频率基准装置的研制现状

时间频率基准装置——铯原子喷泉钟, 在标准时间产生和保持、基础物理研究中发挥了重要的作用. 介绍了铯原子喷泉钟的工作原理, 对影响其性能的各项噪声源和频移项给出了分析, 影响频率稳定度性能的主要因素为Dick 效应相关的原子团装载时间、微波激励源相位噪声和探测激光的频率噪声, 影响频率不确定性能主要频移项为: 黑体辐射频移、冷原子碰撞频移、腔相位分布频移和微波泄露频移; 总结和比较了当前具有先进性能的铯原子喷泉钟采用的技术; 介绍了铯原子喷泉钟的主要应用方向、空间冷原子铯钟的研制情况和光学频率原子钟进展.     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

原子喷泉频标:原理与发展

介绍了喷泉频标的原理与发展.喷泉频标是一项近20年来发展起来的原子钟技术,它以激光冷却技术为基础,利用该技术实现了冷原子介质的俘获与上抛.冷原子介质在上抛下落过程中首先完成原子态制备,然后两次通过微波谐振腔实现Ramsey作用,在两次作用之间原子经历自由演化,最后原子经过探测区,通过双能级荧光探测法探测原子跃迁概率得到鉴频的Ramsey干涉条纹,并实现频率锁定,其中心条纹的线宽在1Hz左右.频率稳定度和频率不确定度是喷泉频标的两个重要指标.影响喷泉钟频率稳定度的因素主要有量子投影噪声和电子学噪声,目前喷泉钟的短期稳定度为(10~(-13)—10~(-14))τ~(-1/2),长期稳定度在(10~(-16)—10~(-17))量级.喷泉频标的频率不确定度主要受二阶塞曼频移、黑体辐射频移、冷原子碰撞频移以及与微波相关的频移等的影响.目前喷泉钟的不确定度在小的10~(-16)量级.作为基准频标,喷泉钟的工作介质主要是~(133)Cs,~(87)Rb.国际各大计量机构都研制了喷泉频标,它在各地协调世界时的建立、国际原子时的校准等方面发挥着越来越重要的作用.此外,喷泉频标还用于研究高精度时频基准和时间比对链路、验证基本物理理论等.     

用于可搬运锶光钟二级冷却光源的研制

光钟在时间保持、精密测量、暗物质探测等方面有广泛的应用。可搬运光钟研制是光钟的重要方向，它是不同类型光钟比对以及引力红移测量的重要设备。研制用于冷原子制备的可搬运冷却光源是实现可搬运光钟研制的关键。本文主要介绍了可搬运锶光钟二级冷却光源的研制。首先，通过Pound-Drever-Hall稳频技术将半导体激光器锁定在超稳腔上，实现了用于锶光钟二级冷却的689 nm窄线宽稳频光源，其线宽优于263 Hz，频率秒稳定度优于1.56×10^-14。另外，利用注入锁定技术制备了两台同等性能的光源，分别用作二级冷却阶段的俘获光和匀化光。整个光学系统集成在一个0.56 m²的光学面包板，通过光纤与真空系统耦合，整体可搬运。利用该稳频光源，实验上制备了数目为2×10⁶，温度为5.3μK的二级冷却原子团，这为下一步进行光晶格原子装载和钟跃迁谱探测奠定了基础。     

可移动型锶原子光钟的系统研制与钟跃迁谱线探测

主要介绍了可移动锶原子光晶格钟的系统研制和钟跃迁谱线探测。光钟系统采用尺寸为120 cm×50 cm×60 cm的小型化物理系统,通过光纤将模块化的子光路系统与物理系统连接。经过一级461 nm激光和二级689 nm激光冷却后,得到原子数目为1.02×10~6、原子温度为5.45μK的冷原子团。利用具有"魔术波长"的晶格光实现~(87)Sr的一维光晶格装载,晶格寿命为434 ms,晶格中原子温度为4.63μK。在具有超窄线宽的698 nm钟激光探测下,得到边带可分辨的钟跃迁谱、窄线宽简并谱、自旋极化谱及拉比振荡曲线。经钟激光探询后,得到的自旋极化谱的谱线线宽为11.79 Hz,接近傅里叶探测极限的理论值,为可移动光钟的闭环工作提供了频率参考。     

超稳光生微波源研究进展

随着科技的进步以及精密测量应用技术的不断提高,超稳微波源的稳定度和噪声水平等技术要求不断提高,应用范围愈加广泛,包括高性能频标研究、网络雷达研制、深空导航系统等方面.基于超稳激光和飞秒光梳的超稳光生微波源是目前频率稳定度最高的微波频率源,相对频率稳定度可达10~(16)@1 s量级.该装置也是未来频率标准(光频标)推广应用的基础,无论是时间的产生还是绝大多数的精密测量,都需要将光频标的输出激光变换为超稳的基带频率信号后才能够实现.本文介绍了超稳光生微波源技术的发展、现状和应用需求.以国家授时中心研制的国内首套超稳微波频率源技术为主线,介绍了超稳光生微波源的原理和结构以及各组成部分的技术发展情况:超稳激光方面,着重介绍超稳光学腔研究和研制的进展以及Pound-Drever-Hall锁频技术、剩余幅度调制等噪声抑制技术;飞秒光梳方面,着重介绍目前最常用的掺铒光纤光梳系统的激光锁模、频率控制等技术发展;低噪声光电探测方面,着重介绍宽带光电探测噪声抑制技术和激光幅度噪声引起微波相位噪声的抑制技术.最后对光生超稳微波技术进行了总结和展望.     

提升原子光钟的精度

正研究者用光谱成像方法降低锶原子光晶格钟的频率偏移,获得原子钟精度的新纪录。当今最精确的原子钟是基于锶、镱和其他碱土(或类似于碱土)原子。这些元素具有超窄的跃迁光频率,从而为时间测量提供了稳定、精确的频率标准。相比于目前用来定义秒的铯原子钟,碱土元素的频率标准比它精确近千倍。在美     

光梳主动滤波放大实现锶原子光钟二级冷却光源

提出一种结合注入锁定技术的主动滤波放大方法,将光梳直接注入锁定至光栅外腔半导体激光器,产生窄线宽激光光源,该光源可以用于锶原子光钟二级冷却.实验中,将中心波长为689 nm,带宽为10 nm的光梳种子光源注入689 nm光栅式外腔半导体激光器,通过半导体增益光谱与半导体光栅外腔,从飞秒光梳的多个纵模梳齿中挑选出一个纵模模式来进行增益放大,再通过模式竞争,实现单纵模连续光输出;同时,光梳的重复频率锁定在线宽为赫兹量级的698 nm超稳激光光源上,因此,注入锁定后输出的窄线宽激光也继承了超稳激光光源的光谱特性.利用得到的输出功率为12 mW的689 nm窄线宽激光光源实现了88Sr原子光钟的二级冷却过程,最终获得温度为3μK,原子数约为5×10~6的冷原子团.该方法可拓展至原子光钟其他光源的获得,从而实现原子光钟的集成化和小型化.     

利用锁相环和TV-Rb钟控制飞秒激光脉冲的载波包络相移

为了实现对锁模飞秒钛宝石激光器的相位控制，采用改进的相移测量装置，使载波包络频移信号的信噪比提高到了40 dB以上.在此优化测量结果的基础上，利用电子锁相环技术，通过PZT改变激光器腔内端镜的倾斜将飞秒激光脉冲的载波包络相位锁定到了微波参考源TV-Rb钟10 MHz标准信号上，同时激光脉冲重复频率也采用另一个PZT控制激光腔长锁定到了同一个TV-Rb钟10 MHz信号上.锁定后的结果显示重复频率的锁定达到了TV-Rb钟本身的稳定度，而载波包络相位锁定后比锁定前稳定度提高了三个数量级.     

浅光晶格中量子隧穿现象的实验观测

基于一维水平光晶格的锶原子光晶格钟实验平台,当系统的稳定度和不确定度达到10-18量级以上时,由量子隧穿效应引起的钟频移变得不容忽视.在浅光晶格中,量子隧穿效应会使钟跃迁谱线发生明显的展宽现象,因此,本文通过研究浅光晶格中的量子隧穿现象,为⁸⁷Sr原子光晶格钟系统不确定度的评估奠定基础.本实验在一维⁸⁷Sr原子光晶格钟平台上,利用超稳超窄线宽的698 nm激光激发⁸⁷Sr冷原子~lS₀(|g>)→~3P₀(|e>)跃迁(即钟跃迁),实现了对锶原子分布在特定量子态的制备.在深光晶格中,将原子制备到|e,n_z=1>态后,再绝热地降低光晶格阱深,然后在浅光晶格中,探测激发态的载波-边带可分辨的钟跃迁谱线.从钟跃迁谱线中观测到载波谱线发生了明显的劈裂,表明原子在光晶格相邻格点间产生了明显的量子隧穿现象.通过对光晶格中量子隧穿机制的理解,不仅有利于提高光晶格钟的不确定度,也可为观测光晶格中费米子的自旋轨道耦合效应提供基础数据.     

面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光梳系统

报道了自主研制的面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光学频率梳,包括飞秒激光源,频率探测及控制单元,光谱展宽及拍频单元.光纤光梳系统中飞秒激光光源是一套基于非线性偏振旋转锁模机制的掺铒飞秒光纤激光器,重复频率为196.5MHz,中心波长为1 572nm.利用f-2f法探测载波包络相移频率,获得信噪比约为40dB的信号(分辨率带宽300kHz).改变飞秒激光光源泵浦控制载波包络相移频率、频率稳定度是3.74×10-18/τ1/2;通过电光晶体和压电陶瓷改变飞秒激光光源腔长来控制重复频率frep、频率稳定度是1.75×10-13/τ1/2.利用高非线性光纤和倍频晶体将光纤光梳直接输出光谱由1 520～1 607nm扩展到671nm,获得了单模功率为208nW的光信号.与671nm单频激光拍频产生约为60dB(分辨率带宽1Hz)信号,满足Li原子D1线频率测量实验的需求.     

我国锶原子光钟关键技术研究获进展

由中国计量科学研究院等单位共同承担的"高准确度原子光学频率标准仪的研制与开发"课题,顺利通过了国家质检总局组织的专家验收.该课题建立了锶原子塞曼减速器和激光冷却囚禁装置,研制了宽带钛宝石飞秒光梳和铒光纤光梳,完善了多个次级光学频率标准,掌握了锶原子光钟和光纤光梳研究     

基于光纤的光学频率传递研究

随着光钟研究的发展, 光钟的稳定度和不确定度均达到10^-18量级. 通过光纤可以实现光钟频率信号的高精度传输, 有望用于未来“秒”定义的复现. 演示了百公里级实验室光纤上的光学频率传递. 对于在实验室70 km光纤盘上实现的光频传递, 光纤相位噪声抑制在1-250 Hz傅里叶频率范围内均接近于光纤延时极限, 对应传输稳定度(Allan偏差)为秒级稳定度1.2×10^-15, 10000 s稳定度为1.4×10^-18. 实验室100 km光纤的光频传递秒级稳定度也达到了5×10^-15. 提出了光纤噪声用户端补偿的方案, 可以简化星形传递网络中心站的复杂度. 在25 km光纤上演示了该传递方案, 实现的传输稳定度接近传统前置补偿传递方案.