课题组名称:铷原子喷泉
小组成员:魏荣研究员(组长)、:董日昌(博士生在读)、杜远博(博士已毕业)、史春艳(博士已毕业)、周子超(博士已毕业)、邹凡(硕士生在读)、陈婷婷(硕士生在读)、王倩(硕士生在读)
研究内容简介:
研究背景——时间是最基本的物理量,时间单位“秒”是国际标准单位制(IS)中7个标准标准单位之一,也是其中最准确的,时间计量采用原子时,第13 届国际度量会议(CGPM)给出了时间单位秒的定义为“1秒是133Cs 原子基态超精细能级跃迁周期的 9 192 631 770 倍。”,并在1977年增加了限定条件为“海平面高度和0K温度”,“秒”是以原子钟计量和实现的,目前的以133Cs喷泉钟实现的“秒”的精确度在10-16量级。原子钟不仅是时频计量的基础,而且在涉及时频计量的许多领域具有广泛而重要的应用,包括定位、导航、精密计量等。
图1 喷泉钟的原理和结构
原子喷泉钟是目前可以实用化的精度最高的原子钟,它的原理如图1所示,采用激光冷却的办法制备冷原子并上抛,通过选态的办法将冷原子制备到一个钟跃迁的单态,在上抛路径上有一个微波腔,让冷原子与微波作用,由于是抛物运动,冷原子与微波腔作用两次,这种方式称之为Ramsey作用,探测作用后冷原子的布居数,根据布居数计算微波频率与期望值的偏差,对微波系统反馈锁定,微波系统输出的频率信号就代表原子喷泉钟的性能指标。
研究内容
本课题组开展了铷原子喷泉钟的研究,,包括铷的87Rb和85Rb两种同位素,87Rb是第一个进入2级秒定义的元素,而我们是国际上唯一从事85Rb喷泉钟研究的小组。
图2 喷泉钟组的时频链路结构图
主要包括下列研究内容:
1. 87Rb原子喷泉钟的研制与应用——实现长期稳定度和不确定度在E-16量级的高性能喷泉钟,并开展喷泉钟的应用研究,包括87Rb钟频率测量、喷泉钟的共视比对和频率溯源、为其它研究小组提供高精度频率信号等。
图3 目前的87Rb喷泉钟装置
2. 85Rb喷泉钟的研究及铷喷泉钟组的运行——85Rb喷泉钟的研制和85Rb钟跃迁的高精度标定,开展基于喷泉钟组的更高精度频率报数、利用喷泉钟组测试精细结构常数α随时间的变化等
图4 目前正在搭建的85Rb喷泉钟实验装置
图5 具有自己特色的型材网格喷泉光路
3. 喷泉钟物理问题研究——喷泉钟共性物理问题的研究,喷泉钟的改进研究(例如2D+-MOT的冷原子装载等),突破目前喷泉钟稳定度和不确定度极限的研究等。
图6 左图为正在搭建的2D+-MOT实验平台,右图为2D+-MOT真空装置
图7 左图为共视天线,右图为MJD 57250-57380时间段SIOM氢钟与GPS时(IGST)、国家授时中心区域时UTC(NTSC)的共视比对结果,100万秒积分时间的不确定度约为5E-15。
研究进展:
完成了一系列有特色的喷泉钟技术,包括折叠光路、健康护卫、本机振荡器(LO)直接锁定、受激拉曼跃迁测磁场等,这些技术在其它实验小组推广。
图8 左图为折叠光路的原理,中图为87Rb喷泉钟上的折叠光路照片,右图为健康护卫的短信报警装置。折叠光路可以降低60%以上的激光功率,提高喷泉钟的可靠性,健康护卫可以有效降低喷泉钟的故障率,提高连续运行时间和故障解决效率。
87Rb喷泉钟实现了频率锁定和不确定度评估,目前的性能指标为短期稳定度2.7E-13τ-1/2,长期稳定度1.4E-15@40千秒,不确定度优于2E-15。
图9 87Rb喷泉钟的Ramsey干涉条纹,线宽1Hz,信噪比246
图10 87Rb喷泉钟通过与氢钟比对测得的稳定度指标,短期稳定度2.7E-13τ-1/2,长期稳定度1.4E-15@40千秒,长稳受限于氢钟的稳定度。
图11 左图为LO直接锁模式下产生的剩余频率漂移RFD统计结果,它带来3E-16的频率偏差和2E-16的频率不确定度;右图是自比对实验的测试结果噪声变化,自比对是直接频率评估的有效方法,它具有简单、精度高的优点,在40万秒的积分时间,测试误差6E-16。
表格1 87Rb喷泉钟不确定度评估表
受激拉曼跃迁测试磁场3部曲——基于受激拉曼跃迁,我们测试了87Rb原子喷泉钟的冷原子飞行区域的磁场强度,分阶段完成了3项工作:
图12 87Rb基态的受激拉曼跃迁能谱
1. 利用一阶塞曼效应测试了Ramsey作用区的磁场,测试精度在0.1nT以下;
2. 测试了二阶塞曼效应,并将其应用于强磁场和大磁场梯度的测试,它使得受激拉曼跃迁测试磁场的动态范围增加约3个数量级;
3. 利用受激拉曼跃迁与激光偏振的张量关系,通过改变拉曼激光的偏振,测试了磁场强度在3维空间的投影,实现了磁场矢量的直接测试。测试精度为:6.1mrad@轴向、0.16rad@轴平面角度。
图13 利用受激拉曼跃迁测试磁场在喷泉钟不同高度弱磁敏跃迁分裂的曲线瀑布图。
(a) 对应Ramsey作用区,(b)对应作用区以下磁屏蔽口附近,(c)对应俘获、选态-探测区域
图14 受激拉曼跃迁的实验结果。
(a)图为同时出现1阶、2阶塞曼分裂的能级谱线,可以用能级分裂测试磁场强度,1阶、2阶塞曼分裂可以相互印证;(b)图为根据跃迁强度测试磁场轴向夹角;(c) 图为跃迁强度随拉曼激光夹角变化及拟合曲线,用来测试轴平面夹角投影;(d)测试冷原子飞行区磁场强度分布。
实时噪声分辨(RTND)——抑制原子钟系统误差、突破其不确定度和稳定度极限的方法,它的原理如图4左图所示,原子钟功能实现时引入的各种效应影响其长稳和不确定度指标,如果该效应的噪声表达式已知,关联参数可实时测量,就可以在每一个误差信号中剔除该效应引起的偏差,提高其性能指标,突破目前的原子钟不确定度极限。用噪声恶化法的演示实验表明,该方法可以显著抑制噪声,将相关噪声对长期稳定度和不确定度的贡献降低1个数量级以上。
图15 实时噪声分辨的原理图(左图)和验证实验结果图(右图)
项目资助:
1. 国家自然科学基金重大研究计划培育项目,91336105,铷同位素的精密标定及对精细结构常数变化的测试。
2. 国家自然科学基金面上项目,61275204,铷85基态超精细跃迁的精密测量及应用。
3. 国家自然科学基金面上项目,10974215,改进型冷原子喷泉的研究。
4. 国家自然科学基金青年基金,10604058,双原子喷泉干涉实验研究。
5. 若干XXXX项目。
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