主動光頻標(biāo)的研究進(jìn)展

史田田 潘 多 繆健翔 陳景標(biāo)

(北京大學(xué)電子學(xué)系，區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光纖通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

1 引 言

原子鐘，即精密時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，在精密測量、信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步、全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位、物理原理驗(yàn)證、火山監(jiān)測、量子模擬、深度繪測、引力測量[1]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于以光頻躍遷作為參考譜線的光頻原子鐘(光鐘)，比用微波躍遷作為參考譜線的微波原子鐘的工作頻率高4～5個量級，理論上光鐘具有更優(yōu)越的頻率穩(wěn)定度。因此，近年來國內(nèi)外對光鐘的研究火熱。在過去的20年里，光鐘技術(shù)取得了極大的進(jìn)步[2-6]，其相對頻率不確定度已優(yōu)于國際上最好的用于實(shí)現(xiàn)秒定義的銫原子微波噴泉鐘1～2個量級[7,8]，目前光晶格鐘和單離子光鐘的頻率不確定度和頻率穩(wěn)定度都達(dá)到了10-18量級，最好的171Yb光晶格鐘[6]的相對頻率穩(wěn)定度已進(jìn)入小系數(shù)10-19量級，科學(xué)家們正致力于用光鐘實(shí)現(xiàn)對國際時(shí)間單位秒的重新定義。

傳統(tǒng)的光鐘多為被動式，光頻標(biāo)性能主要由鐘躍遷激光器的性能決定，為進(jìn)一步壓窄探尋激光的線寬，通常采用PDH穩(wěn)頻技術(shù)將激光器輸出頻率嚴(yán)格穩(wěn)定到超穩(wěn)光學(xué)Fabry-Pérot(F-P)腔的共振頻率上，從而得到高度相干的光頻標(biāo)信號。首先，為了實(shí)現(xiàn)高度相干的光學(xué)輻射信號，需要高反射率鍍膜的諧振腔鏡，以達(dá)到高精細(xì)度的F-P諧振腔，增加了加工難度；其次，要實(shí)現(xiàn)高度相干的激光光源，需要保證腔共振頻率絕對穩(wěn)定，為了減小超穩(wěn)腔的頻率漂移，需要將光學(xué)諧振腔放置在超低溫環(huán)境[10,11]，但這些措施不能從本質(zhì)上解決諧振腔的腔長熱噪聲問題，而且增加了系統(tǒng)難度和復(fù)雜度。綜上，目前被動光鐘鎖頻激光系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度最終受限于布朗熱噪聲，如果原理上有突破，光鐘發(fā)展可能有大的飛躍。

2 主動光鐘研究現(xiàn)狀

為了解決上述被動光鐘面臨的腔長熱噪聲問題，提出主動光鐘[12]新理念：通過光學(xué)諧振腔的弱反饋在原子躍遷能級之間形成多原子相干受激輻射，其在原理上利用原子之間弱耦合協(xié)作受激行為，將量子參考系統(tǒng)受激輻射信號直接作為鐘躍遷信號，激光線寬遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)激光器輸出激光線寬，并且，激光中心頻率決定于量子躍遷頻率而非腔模中心頻率，具有腔牽引抑制優(yōu)勢。壞腔條件下的Schawlow-Townes激光線寬公式的計(jì)算表明[12,13]，四能級熱原子主動光鐘的激光線寬可實(shí)現(xiàn)幾十mHz量級。綜上，基于主動光鐘實(shí)現(xiàn)的激光具有窄量子極限線寬和腔牽引抑制兩個優(yōu)勢，從而突破傳統(tǒng)被動光鐘中PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)的熱噪聲極限，在光譜研究方面具有重要的應(yīng)用前景和研究價(jià)值。

目前國內(nèi)外基于主動光鐘原理開展了不同的原子體系方案研究[14-19]，包括四能級系統(tǒng)、原子束型與原子束分離場、磁光阱囚禁原子、原子超輻射、離子體系等。國際上，原子束方面，丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯-玻爾研究所在壞腔條件下利用磁光囚禁的88Sr原子的相位響應(yīng)作為誤差信號，完成激光的頻率穩(wěn)定[20]。美國科羅拉多大學(xué)JILA研究組采用冷87Rb原子在壞腔模式下的Raman躍遷，探測到了輸出脈沖場與綴飾光的拍頻信號[21]。此后，該研究組對鍶原子光晶格系統(tǒng)壞腔模式下的超輻射現(xiàn)象進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了基于698nm超窄鐘躍遷線寬的主動型超輻射脈沖激光，其秒級頻率穩(wěn)定度為6.7×10-16，秒級準(zhǔn)確度為4×10-15[22]。最近，丹麥奧爾胡斯大學(xué)物理和天文學(xué)系，理論證明了囚禁在壞腔區(qū)域一維光晶格中的88Sr原子，在磁場作用下，能夠輸出線寬小于2Hz的主動光鐘超輻射脈沖激光[23]。德國漢堡大學(xué)基于冷鈣原子1S0-3P1657nm的躍遷，在壞腔系統(tǒng)中觀察到了強(qiáng)度正比于粒子數(shù)平方的雙曲正割型的主動光鐘超輻射脈沖激光[24]。哥白尼大學(xué)也正在開展基于88Sr冷原子的主動光鐘研究，相關(guān)研究進(jìn)展也處于起步階段，以期實(shí)現(xiàn)連續(xù)型主動光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)。在國內(nèi)，北京大學(xué)在四能級、雙波長好壞腔連續(xù)型主動光頻標(biāo)[17,25,26]方面積累了大量的實(shí)驗(yàn)與理論經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了線寬小于百赫茲的銫原子1 470nm連續(xù)型主動光頻標(biāo)信號，低于1.81MHz的自然線寬四個量級，并證明了壞腔激光的諧振腔腔長噪聲相比于好腔激光降低了60倍以上。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證，二能級原子束型主動光鐘的性能主要受限于二階多普勒頻移；光晶格囚禁的三能級主動光鐘由于囚禁原子數(shù)少，輸出光功率很弱，泵浦光還會引入光頻移問題；基于激光冷卻與囚禁的光晶格方案實(shí)現(xiàn)的是脈沖型激光；相比之下，四能級方案的泵浦光與受激輻射的相關(guān)能級是相互分離的，這降低了泵浦光對鐘激光輸出光頻率的影響；在諧振腔腔長沒有穩(wěn)定的情況下，四能級方案的鐘激光仍受限于剩余腔牽引效應(yīng)，為了減小腔長抖動對鐘激光線寬的影響，提出了“雙波長好壞腔主動光頻標(biāo)”的方案。

3 雙波長好壞腔主動光頻標(biāo)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

雙波長好壞腔方案旨在減小剩余腔牽引效應(yīng)對四能級主動光鐘的影響，Nd:YAG晶體和銫原子氣室共用一個諧振腔，808nm激光泵浦Nd:YAG晶體輸出1 064nm好腔激光，同時(shí)，459nm激光激勵銫原子輸出1 470nm壞腔激光，通過設(shè)計(jì)腔鏡鍍膜，使1 064nm和1 470nm激光分別工作在好、壞腔區(qū)域，其中，1 064nm好腔激光通過PDH穩(wěn)頻技術(shù)[27]或相位鎖定技術(shù)穩(wěn)定諧振腔腔長，如果只考慮腔長抖動對激光線寬的影響，由于壞腔激光具有腔牽引抑制特性，1 470nm壞腔激光線寬比穩(wěn)頻后的1 064nm好腔激光線寬還要窄。

3.2 實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1 064nm/1 470nm雙波長激光輸出，并分析了雙波長激光信號的性能，為了驗(yàn)證PDH穩(wěn)頻方案實(shí)現(xiàn)腔長鎖定的可行性，評估腔長穩(wěn)定對壞腔激光的線寬壓窄效應(yīng)，本文采用相位鎖定方案實(shí)現(xiàn)了兩套雙波長系統(tǒng)的腔長同步抖動，抑制腔長共模噪聲對1 470nm鐘激光拍頻信號的影響，并分析腔長鎖定前后壞腔激光拍頻信號的線寬變化。進(jìn)一步地，腔長穩(wěn)定后的主動光鐘系統(tǒng)可以用來更好的分析除剩余腔牽引效應(yīng)以外的其他因素對主動光頻標(biāo)信號的影響。

基于相位鎖定的腔穩(wěn)雙波長好壞腔主動光鐘實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，整個系統(tǒng)可以分為三部分：1 064nm/1 470nm雙波長好壞腔激光輸出模塊、合束拍頻模塊以及相位鎖定模塊。要實(shí)現(xiàn)兩個主動光鐘諧振腔(主諧振腔)的腔長高精度跟蹤，兩個1 064nm好腔激光應(yīng)滿足單縱模輸出，并且拍頻信號的頻漂范圍可控，以上條件可以通過調(diào)節(jié)Nd:YAG晶體的溫度以及808nm泵浦光的功率實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為滿足腔長穩(wěn)定的同時(shí)1 064nm/1 470nm雙波長信號共腔連續(xù)輸出，需提高1 470nm壞腔激光的輸出功率，以保證腔長變化時(shí)仍能探測到壞腔激光信號，因此實(shí)驗(yàn)中采用自制的兩套大功率459nm干涉濾光片外腔半導(dǎo)體激光器分別作為兩套系統(tǒng)的泵浦源，提高1 470nm鐘激光的輸出功率。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，實(shí)現(xiàn)兩套雙波長系統(tǒng)中1 064nm/1 470nm雙波長激光同時(shí)共腔輸出；然后，1 064nm好腔激光與1 470nm壞腔激光經(jīng)雙色鏡分離，兩束1 470nm壞腔激光合束后拍頻，用以觀測兩套系統(tǒng)腔長同步前后1 470nm鐘激光線寬變化；兩束1 064nm好腔激光用于相位鎖定同步兩個腔長變化：兩個1 064nm好腔激光的拍頻信號經(jīng)放大、分頻，進(jìn)入光學(xué)相位鎖相環(huán)，然后，拍頻信號與外部參考信號(銫原子微波鐘)進(jìn)行相位、頻率比較，得到誤差信號，再把誤差信號反饋回其中一個諧振腔的壓電陶瓷上，從而同步兩套系統(tǒng)的腔長變化，以降低腔長共模噪聲對1 470nm鐘激光拍頻信號的影響。

頻率計(jì)數(shù)器用于測量相位鎖定后1 064nm好腔激光拍頻信號的中心頻率變化，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和伺服反饋回路的PID參數(shù)，最終兩個1 064nm好腔激光的跟蹤精度可實(shí)現(xiàn)3×10-16@1s。為了驗(yàn)證腔長相互鎖定對腔長共模噪聲的抑制作用，我們測量了1 064nm好腔激光鎖定前后1 470nm壞腔激光的拍頻線寬變化，其最可幾洛侖茲擬合線寬分別為300Hz和75Hz，即鎖定前后單套系統(tǒng)1 470nm壞腔激光線寬分別為212Hz與53Hz，證明了腔長穩(wěn)定對1 470nm壞腔信號大約有4倍的線寬壓窄效應(yīng)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見參考文獻(xiàn)[26]。

圖1 基于相位鎖定的腔穩(wěn)雙波長好壞腔主動光鐘原理圖Fig.1 Experimental setup of the cavity stabilized dual-wavelength good-bad cavity active optical clock based on phase-locking technique

雖然1 064nm好腔激光的相位鎖定對兩套系統(tǒng)腔長異步抖動引入的腔長噪聲有一定的抑制作用，但是腔長鎖定后，十Hz量級的拍頻線寬與預(yù)期的1 470nm壞腔激光拍頻線寬比相位鎖定之后1 064nm好腔信號拍頻線寬(小于1Hz)還要窄的結(jié)果不符。我們對該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的分析：雖然上述相位鎖定方法可以消除剩余腔牽引效應(yīng)對壞腔激光的線寬展寬影響，但是目前1 470nm拍頻線寬還受限于459nm泵浦光功率變化、銫泡溫度變化以及外界磁場波動的影響。其中，459nm激光功率波動對1 470nm激光線寬展寬的影響在十Hz量級；主動光鐘諧振腔中的銫原子氣室溫度波動對1 470nm壞腔激光的短期穩(wěn)定度可以忽略不計(jì)，但影響壞腔激光的長期穩(wěn)定度；外界磁場波動引起的壞腔激光線寬展寬在Hz量級[26]。此外，由于459nm穩(wěn)頻系統(tǒng)中的銫原子參考和主諧振腔中的銫原子增益介質(zhì)是相互獨(dú)立的，兩個銫原子氣室之間存在溫度差和相對溫度波動，溫度差導(dǎo)致主諧振腔中的零速銫原子感受到的泵浦光頻率與穩(wěn)頻系統(tǒng)的輸出頻率不一致，最終導(dǎo)致主諧振腔中的非零速原子與泵浦光相互作用，從而引起1 470nm受激輻射光場的頻移(kHz量級)；兩個銫原子氣室之間的相對溫度波動帶來1 470nm壞腔激光的線寬展寬(+Hz量級)。為了減弱以上因素對主動光頻標(biāo)的影響，需要進(jìn)一步優(yōu)化泵浦光的功率穩(wěn)定度、銫原子氣室的溫控精度和磁屏蔽效果，同時(shí)設(shè)計(jì)泵浦系統(tǒng)和主諧振腔中共用一個銫原子氣室的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，以期實(shí)現(xiàn)1 470nm鐘激光的線寬壓窄。

4 結(jié)束語

主動型光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)由于工作在壞腔區(qū)域，可以從本質(zhì)上解決目前被動光鐘面臨的腔長熱噪聲問題，其量子參考系統(tǒng)的受激輻射信號可以直接作為光頻標(biāo)信號輸出，具有更窄的量子極限線寬，并且相比于被動光頻標(biāo)具有腔牽引抑制優(yōu)勢，主動光鐘的性能可能比目前最優(yōu)的被動光鐘還要提高兩個量級。近年來，多個研究組基于不同的原子體系開展了主動光頻標(biāo)方面的研究，本文主要介紹了國內(nèi)外主動光鐘的研究現(xiàn)狀，并詳細(xì)介紹了本研究小組在雙波長好壞腔主動光鐘方面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展及結(jié)果分析，旨在實(shí)現(xiàn)更高性能的窄線寬連續(xù)型主動光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)。