锶原子光钟的研制和评估

发布时间：2020-08-08 21:15

【摘要】：时间单位秒是国际单位制七个基本单位之中测量精度最高的基本单位,在科学研究和工程技术中的应用是十分广泛的。目前复现秒定义的计量装置是铯原子喷泉钟,但是其系统不确定度最高只到E-16量级,逐渐不再满足高精尖科学研究的需求。目前,基于中性原子的光晶格钟的最高水平已经进入了E-19量级,比现有的铯原子喷泉钟高近三个量级,因此有望成为下一代的时间频率基准。为了应对将来国际秒定义变更,国家授时中心必须拥有自主的光频基准,研制高精度前瞻性时间频率基准钟——光钟,确保我国时间频率基准始终保持独立自主、始终与国际接轨、始终保持连续运行。锶原子最外层拥有两个价电子,拥有丰富的能级和跃迁来满足光钟实验的需求。禁戒跃迁(5s~2)~1S_0-(5s5p)~3P_0具有极窄自然线宽(1 mHz)和超高的品质因子(E-17量级),是作为光钟频率参考的重要候选。锶原子光钟的工作原理是:俘获在魔术波长光晶格中的冷原子作为锶原子光钟的频率参考标准,锁定在超稳参考腔的窄线宽钟激光作为本地振荡器,探测光晶格中的冷原子后获得钟跃迁谱线,利用反馈控制系统将钟激光锁定在钟跃迁谱线上即实现了光钟的闭环锁定,最后飞秒光频梳作为计数器用来读取钟激光的准确频率,并转换成微波信号作为时间频率标准供实际应用。本文围绕国家授时中心锶原子光钟的研制和评估,主要完成的实验工作有:冷原子样品制备、钟跃迁谱线探测和闭环锁定、自比对稳定度及不确定度的评估和绝对频率测量。(1)冷原子样品制备:利用磁光阱技术实验完成锶原子的一级冷却和二级冷却,最终获得的冷原子数目为2.3×10~6,温度约为5μK;利用标准的PDH技术将813 nm半导体激光器锁定到精细度为30000的超稳参考腔,实现了锶原子的光晶格装载,光晶格寿命为1.6 s;利用σ~-或σ~+偏振的极化光对布居于基态的十个塞曼子能级的原子进行泵浦,最终实现超过90%的原子布居于m_F=+9/2或m_F=-9/2的自旋极化态上,钟跃迁谱线的最大激发率和信噪比都改善了约7倍。(2)钟跃迁谱线探测和闭环锁定:利用光纤相位噪声消除系统将光纤相位噪声对钟激光频率的影响降低到E-17量级,比钟跃迁激光的本身的稳定度高两个量级;实验探测了接近傅里叶线宽极限的边带可分辨钟跃迁谱线、简并谱、塞曼谱、自旋极化谱,根据边带可分辨钟跃迁谱线推算出光晶格纵向原子温度为4.2μK,获得线宽最窄为3.9 Hz的自旋极化谱;利用线宽为6 Hz极化谱实验实现了锶原子光钟的闭环锁定,测量出钟激光线性漂移速率为0.1794 Hz/s;利用声光调制器补偿钟激光的线性漂移,根据闭环锁定后的误差信号计算环内稳定度,艾伦方差基本遵循1.6×10~(-15)/τ~(1/2)的趋势,经过2000 s积分后达到2.8×10~(-17)。(3)锶原子光钟性能评估:完成锶原子光钟自比对稳定度和系统不确定度的评估;利用校准过的铂电阻温度传感器监测真空腔体外表面的温度,通过有限元分析模拟出原子团所处位置的温度,最终得到黑体辐射频移总的修正量为-2.13(1)Hz,不确定度为2.4×10~(-17);通过原子团高低密度自比对方法测量了碰撞频移修正量为-0.13 Hz,不确定度为3.1×10~(-17),并且理论计算表明p波碰撞频移至少为s波的15倍;通过控制晶格光功率测量晶格光AC Stark频移,测量得到光晶格魔术波长368554042 MHz,相对不确定度为8.0×10~(-17),实际闭环时晶格光工作波长引起频移量为0.8 Hz,总的不确定度为8.7×10~(-17);通过测量闭环运行时两个极化峰间距,得到锶原子光钟二阶塞曼频移修正量为4.1×10~(-17),不确定度为1.8×10~(-18);设计了锶原子钟跃迁绝对跃迁频率时国际秒定义溯源方案,为下一步进行锶原子钟跃迁绝对频率奠定了基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH714.14
【图文】：

国际单位制,基本单位,跃迁

长度的基本单位米可以通过物理常数光速与秒直接联系起来，如图1.1 所示。在1967年召开的第13届国际计量大会上，通过了基于铯原子跃迁的秒定义：秒是无干扰情况下铯 133 原子（133Cs）基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐

光钟,微波,元素,时间频率

高精度前瞻性时间频率基准钟——光钟，确保我国时间频率基准始主、始终与国际接轨、始终保持连续运行。钟研究进展年来，飞秒光梳的发明、半导体激光器技术的成熟、基于超高精细线宽激光、激光的倍频技术和激光冷却与俘获等技术的出现和发展光钟的发展。钟是以原子的光学波段跃迁为频率参考的时间频率基准。从原子体本分为基于单个离子的离子光钟和基于多个中性原子的光晶格钟[1利用较多的是 Hg+、Ba+、Yb+、Sr+、Ca+、Al+、In+、Mg+等元素。格钟中研制较多的是基于碱土金属（Mg、Ca、Sr 或类碱土金属 Y子光晶格钟和费米子光晶格钟[12]，如图 1.2 所示。从光钟运行方式以分为被动型光钟和主动型光钟。

示意图,中性原子,晶格,光钟

锶原子光钟的研制和评估研制光晶格钟[20]。2005 年研制成功了世界上1]。2018 年，该组又提出了魔术光强的概念[高水平奠定了基础。光钟为例说明中性原子光晶格钟的原理，如中的冷原子作为锶原子光钟的频率参考标准为钟激光相当于本地振荡器，钟激光探测光利用反馈控制系统将钟激光频率锁定在钟跃最后飞秒光频梳作为计数器用来读取钟激光时间频率标准供实际应用。

【参考文献】