主动光钟研究进展.pdf
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1、计 测 技 术综合评述主动光钟研究进展张佳1,史田田1*,缪健翔1,陈景标1,2(1.北京大学 电子学院 量子电子学研究所 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,北京 100871;2.合肥国家实验室,安徽 合肥 230088)摘 要:自2005年至今,主动光钟经过了近20年的发展。主动光钟利用原子系综作为增益介质,其受激辐射可直接作为钟激光信号。因为主动光钟工作在坏腔区域,因此具有腔牵引抑制和窄线宽两个显著的优点,可以有效克服被动光钟存在的腔长热噪声问题。由于其优越的性能,主动光钟受到了国内外同行的广泛关注。根据实现方式不同,本文将主动光钟划分为原子束型主动光钟、基于激光冷却和光晶格
2、囚禁的主动光钟、原子束及光晶格“复合型”主动光钟、法拉第主动光钟、离子阱囚禁型主动光钟以及热原子气室型主动光钟。对于不同类型的主动光钟,本文详细介绍了其实验及理论研究进展,并分析其优劣。最后,分析了主动光钟在精密测量领域的应用并展望了主动光钟的发展方向,为推动主动光钟的广泛应用提供借鉴。关键词:主动光钟;坏腔激光;腔牵引抑制效应;精密光谱学中图分类号:TB939 文献标志码:A 文章编号:1674-5795(2023)03-0001-16Research progress of active optical clockZHANG Jia1,SHI Tiantian1*,MIAO Jianxia
3、ng1,CHEN Jingbiao1,2(1.State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks,Institute of Quantum Electronics,School of Electronics,Peking University,Beijing 100871,China;2.Hefei National Laboratory,Hefei 230088,China)Abstract:Since 2005,active optical clock(AOC)has undergone n
4、early 20 years of development.The AOC utilizes an atomic ensemble as the gain medium,and its stimulated radiation can be used as the clock laser signal directly.Because the AOC works in the badcavity region,it has two significant advantages of cavitypulling suppression and narrow linewidth,which can
5、 effectively overcome the cavity length thermal noise problem of the passive optical clock.Due to its superior performance,the AOC has received wide attention from international counterparts.According to the different implementation methods,this paper classifies AOCs into atomic beam type,laser cool
6、ing and opticallatticetrap type,atomic beam and optical lattice hybrid type,Faraday atomic filter type,iontrap type,and thermal atomic cell type.For different types of AOCs,this paper presents the experimental and theoretical research progress in detail and analyzes their advantages and disadvantage
7、s.Finally,the application of AOCs in the field of precision measurement is analyzed,and the future development direction of AOCs is prospected,so as to provide reference for promoting the wide application of AOCs.Key words:active optical clock;badcavity laser;cavitypulling suppression;precision spec
8、troscopydoi:10.11823/j.issn.1674-5795.2023.03.01收稿日期:2023-02-20;修回日期:2023-03-15基金项目:国家自然科学基金项目(91436210);科技创新 2030“量子通信与量子计算机”重大项目(2021ZD0303200);中国博士后科学基金项目(BX2021020);温州重大科技创新项目(ZG2020046)引用格式:张佳,史田田,缪健翔,等.主动光钟研究进展 J.计测技术,2023,43(3):1-16.Citation:ZHANG J,SHI T T,MIAO J X,et al.Research progress of
9、 active optical clock J.Metrology&Measurement Technology,2023,43(3):1-16.1综合评述2023年第43卷 第3期0引言原子钟作为目前测量精度最高的仪器,在引力波探测1、探寻暗物质2、相对论验证3、基本物理常数测量4、重力势测量5、信息网络6、卫星导航定位7等领域具有广阔的应用前景。自1949年第一台氨分子钟诞生以来,不同原理、不同种类的原子钟不断出现。在1967年第十三届国际计量大会上,原子钟性能的提升促使国际基本单位“秒”被重新定义为:一秒是未受干扰的 133Cs原子基态两个超精细能级之间跃迁辐射周期的 9 192 631
10、 770倍的持续时间8。根据跃迁频率划分,原子钟可分为微波原子钟与光频原子钟(光钟)。光钟工作在光频波段,比微波频段要高大约4 5个数量级,因此以光频跃迁为中心频率的光钟能大幅度提升频率稳定度。1993年发明了谱宽范围约1 THz的宽谱飞秒光学频率梳9,可将光学频率与微波频率相互转换,为光钟的小型化和实用化奠定了基础。激光冷却囚禁技术的发展,也促进了光钟的飞速发展。目前,光钟的频率稳定度已达到 10-19量级,不确定度达到 10-18量级,超越最好的微波钟近2个数量级,其优异的性能意味着可以在毫米尺寸内测量引力红移10,验证广义相对论。根据工作方式不同,还可以将原子钟分为被动型和主动型。被动型
11、原子钟需要将本地振荡器的频率通过鉴频或鉴相技术被动式地被锁定在频率参考体系的量子跃迁线上,而主动型则不需要外部的频率参考,原子的受激辐射信号可以直接作为稳定的频率标准信号输出。目前,两类性能最好的光钟均为被动型光钟,分别是基于中性原子囚禁的光晶格钟5,11和基于离子囚禁的离子光钟12-14。前者采用激光形成的驻波场(即光晶格)囚禁中性原子,后者则用离子阱囚禁单个离子。中性原子光晶格钟一般采用碱土金属(如锶、镱等)作为量子频率参考,由于囚禁了较多数量的原子,为钟跃迁谱线提供了较好的信噪比,一般在稳定度特别是秒稳上优于离子光钟15。美国天体物理联合实验室(JILA)16的锶(87Sr)光晶格钟的频
12、率稳定度可达到4.8 10-17/,系统不确定度达2.0 10-1817。美国国家标准与技术研究所(NIST)5研制的镱(171Yb)原子光晶格钟频率稳定度可达1.5 10-16/,长期频率稳定度达3.2 10-19105 s,系统不确定度为1.4 10-18 18。此外,德国联邦物理技术研究所(PTB)、日本理化学研究所(RIKEN)研制的锶(88Sr)19光晶格钟、汞(199Hg)20光晶格钟分别是当前锶光晶格钟和汞光晶格钟中稳定度最好的。在国内,中国计量科学研究院(NIM)21实现了锶原子光晶格钟的评定与绝对频率测量,频率稳定度为1.8 10-15/,系统不确定度可达2.9 10-172
13、2;华东师范大学23研制的镱原子光晶格钟的系统不确定度为1.7 10-16。中国科学院上海光学精密机械研究所24基于汞原子光晶格钟,观测到了199Hg 原子1S03P0的钟跃迁谱线;中国科学院精密测量科学与技术创新研究院(以下简称精密测量院)25开展的镱原子光晶格钟完成了闭环锁定,在3 500 s的平均时间内,频率稳定度可达3 10-17;中国科学院国家授时中心26开展的锶原子光晶格钟,在 3 000 s 的平均时间内,频率稳定度可达5.7 10-17。光晶格钟自提出以来受到了国内外的广泛关注,目前其频率稳定度和频率不确定度已经超越了铯原子喷泉钟,成为目前最稳定的原子钟。除了光晶格钟,离子光钟
14、近年来也取得了突破性进展,如以离子Hg+,Sr+,Yb+,Al+,Ca+等作为量子参考的离子光钟。单离子光钟不用考虑相互碰撞、隧穿等因素的影响,其中,NIST的Al+离子光钟的系统频率不确定度评估已经进入了 10-19量级27,PTB的Yb+离子光钟实现了3 10-18的系统不确定度13。在国内,精密测量院14实现的Ca+离子光钟的系统频率不确定度达到3 10-18。国防科技大学28的Hg+离子光钟以及精密测量院研制的 Al+离子光钟29也取得了重要进展。但需要注意的是,为了避免离子间相互作用,离子光钟一般采用单离子作为频率参考,在钟跃迁探测时电子的波函数会随机坍缩到基态或激发态,其频率稳定度
15、受限于单离子的量子投影噪声(QPN),目前,最好的单离子光钟的秒级频率稳定度为1.2 10-1527。对于不确定度,单离子光钟需要较长的时间才能实现1018量级。虽然目前基于激光冷却与囚禁技术使得光钟量子跃迁谱线压窄到了自然线宽的水平,但是为了探测线宽在mHz量级的原子跃迁谱线,本振激 2计 测 技 术综合评述光器的线宽必须足够窄,也就是说需要超窄线宽的激光源才能够精密探测到窄带宽的钟跃迁谱线。目前,主要通过PDH(PoundDreverHall)技术30来获取相噪很低、高度相干的超窄线宽激光源作为本振激光器,这就需要高反射率镀膜的谐振腔镜达到106甚至更高的精细度。即使是目前最稳定的谐振腔,
16、经PDH技术稳频后的本振激光也会不可避免地受到腔长抖动的影响。为了减小谐振腔的热噪声,需要具有超低热膨胀系数的单晶硅或者微晶玻璃做腔体材料31。除此之外,谐振腔需要放置在超低温环境来达到材料的零膨胀点,进而减小频率漂移32。即使是目前最稳定的谐振腔,稳频后的激光也会受到腔长热噪声的影响。同时,使用超稳谐振腔会导致光钟造价昂贵、系统复杂、对环境敏感,且不能从本质上解决谐振腔的腔长热噪声问题。为有效克服目前被动型光钟中超高精细度光学谐振腔受限于热噪声的问题,北京大学33于2005年提出了主动型光频原子钟(主动光钟)的概念。主动光钟方案提出后受到国际同行广泛关注,在2015年IEEE国际频率控制会议
17、上,主动光钟被列为本领域三项最受关注的新兴技术之一。目前,北京大学、中国台湾“中央研究院”物理所、郑州大学、JILA、NIST、维也纳科技大学、哥本哈根大学、阿姆斯特丹大学、奥尔胡斯大学、印度物理研究实验室、因斯布鲁克大学、汉诺威莱布尼兹大学、汉堡大学、巴黎第一大学等十余个研究团队开展了基于不同原子体系的超辐射激光方案研究。目前,JILA基于87Sr原子实现了698 nm超窄跃迁线宽的超辐射脉冲光,频率稳定度达到6.7 10-161 s,不确定度达到4 10-1534;北京大学实现了线宽为53 Hz的铯原子1 470 nm连续型 主 动 光 场,根 据 线 宽 推 算 出 稳 定 度 为2.6
18、 10-130.1 s,并证明了其大于60倍的腔牵引抑制效果35,除此之外,基于主动光钟原理验证了反共振激光具有更强的腔牵引抑制效应36。相比于被动型原子钟,主动型原子钟基于受激辐射的原理,输出的光频标信号具有极好的相位相干性,因此其频率稳定度随平均时间呈1/下降。由于其工作在坏腔模式下,即腔模线宽大于原子的增益线宽,输出激光频率取决于原子的跃迁频率而非腔模频率,故能够有效解决传统被动光钟PDH稳频系统的腔长热噪声问题。1基本原理及特性主动光钟原理和微波域的氢钟37相似,不需要外部频率参考。在谐振腔作用下,形成多原子相干受激辐射,直接将布居数反转的原子相干受激辐射信号作为光学频率标准输出。由于
19、集体原子偶极子的相位相干,其输出的光频标信号具有极好的相位相干性,因此频率稳定度随平均时间能更快速下降。主动光钟是获得高度相干、超窄线宽激光的创新途径,利用量子参考系统作为增益介质,其受激辐射信号可直接作为钟激光信号,工作原理图如图1(b)所示。传统的被动光钟的本振激光工作在好腔区域,因为其输出的光频标就是稳频之后的本振激光,因此,本振激光的好坏直接影响光频标的性能。在被动光钟中,用于锁定本振激光的腔模线宽极窄,远小于其增益线宽。因此,被动光钟输出钟激光的频率主要由腔模频率决定,不可避免地受到腔长热噪声影响。当外界环境噪声造成腔长变化时,输出激光的频率随之改变。与传统好腔激光不同的是:主动光钟
20、的量子参考线宽远小于腔模线宽,系统工作在深度坏腔区域,其输出激光的中心频率与原子跃迁谱线频率0的关系式可以表示为38-0=+(c-0)(1)式中:c为谐振腔的腔模频率,Hz;为腔模线图1被动光钟及主动光钟工作原理示意图Fig.1Schematic diagram of principles of passive and active optical clocks 3综合评述2023年第43卷 第3期宽,Hz;为为增益线宽,Hz。由于主动光钟工作在深度坏腔模式,输出激光的中心频率取决于量子跃迁频率而非腔模中心频率,可以有效抑制腔牵引效应,克服目前被动型光钟中的超高精细度光学谐振腔受限于腔长热噪声
21、的问题。由式(1)可以得到输出激光频率随腔模频率的变化率,即腔牵引系数P,表示为P=ddc=+(2)对于被动型光钟,输出激光频率跟随腔模频率变化。因此被动型光钟不可避免地受到腔长热噪声的强烈影响,进而影响其频率稳定度。而主动光钟工作在深度坏腔区域,P 1,腔模频率抖动对输出激光中心频率的影响被大大抑制,输出激光频率不易受到外界噪声的影响。除了腔牵引系数,也可以利用坏腔系数对主动光钟的腔牵引抑制特性进行说明。定义坏腔系数a=/。利用坏腔系数,可以将腔牵引系数表示为 P=1/(1+a)。2012年,JILA课题组实现了腔内光子数小于1的主动光钟超辐射激光,其腔牵引系数P甚至可以达到10-5量级38
22、。除了腔牵引抑制特性,主动光钟还有着超窄线宽输出特性。由于主动光钟输出激光具有极好的相位相干性,激光线宽可以突破自发辐射决定的量子极限线宽38-39。根据坏腔体系下修正后的Schawlow-Townes公式,线宽可以表示为40AOC=042PoutNsp(+)2(3)式中:假设腔模中心频率与原子跃迁频率0重合,为普朗克常数;Pout为激光输出功率,W;Nsp=N2N2-N1为自发辐射因子;N1,N2分别为对应钟跃迁上下能级的粒子数;042Pout为自发辐射决定的量子极限线宽。对于主动光钟,因此可以突破自发辐射量子极限线宽,激光线宽有望达到mHz量级41。2研究方案主动光钟自2005年提出以来,
23、受到国际广泛关注。目前,国内外多个课题组已经用理论和实验方法对主动光钟的机理与相关问题进行了大量的探索,具体方案包括原子束型主动光钟、基于激光冷却和光晶格囚禁的主动光钟、原子束及光晶格“复合型”主动光钟、法拉第主动光钟、离子阱囚禁型主动光钟以及热原子气室型主动光钟。2.1原子束型主动光钟原子束型主动光钟可供选择的量子体系丰富(如镁、钙、锶、钡等),其基本工作原理为:由原子炉加热产生的气态原子准直后形成原子束。用泵浦光将基态原子泵浦到亚稳态,实现钟跃迁能级的粒子数反转。处于亚稳态的原子与光学谐振腔相互作用,当谐振腔光场满足激光振荡条件时,形成稳定的受激辐射输出。以钙原子束主动光钟42为例,657
24、 nm激光将准直后的钙原子由基态(4s2)1S0泵浦至亚稳态(4s4p)3P1,实现657 nm钟跃迁的粒子数反转。处于亚稳态(4s4p)3P1的钙原子进入谐振腔与腔模相互作用产生657 nm受激辐射输出。用423 nm的蓝光进行探测,探测光位于泵浦光之后并分为前后两部分。前者用于将未泵浦的基态原子转移至(4s4p)1P1,原子被激发至亚稳态后,经过几十厘米的飞行距离会掉落到基态,从而被后面的423 nm激光探测到,其实验原理图如图2所示。该方案中,钙原子经过光学谐振腔的渡越增宽远大于(4s4p)3P1能级的自发辐射速率,是所有增宽机制中的主要增宽因素。适当设计坏腔结构参数,根据修正后的 Sc
25、hawlow-Townes 公式40,图2钙原子束主动光钟Fig.2Ca atomic beam active optical clock 4计 测 技 术综合评述原子束型方案实现的主动光钟的极限线宽可达0.1 Hz,对应的稳定度为2.2 10-1610 s。虽然热原子束方案适用于丰富的量子体系,但存在多普勒增宽问题。剩余一阶多普勒效应由横向速度分布导致,使得增益线宽展宽,通过横向激光冷却技术可以在一定程度上克服此加宽。二阶多普勒效应造成的增益线型不对称是限制基于该方案获得高准确度主动光钟的主要因素。通过激光冷却原子束,可以降低多普勒效应的影响。采用窄线宽原子跃迁作为钟跃迁能级,施加脉冲泵浦光
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