北京大學小型化光抽運熱、冷銫束原子鐘研究進展

陳徐宗，賀軒，袁志超，謝偉濱，陳楠，熊擇正，方聲偉，王青，齊向暉

(北京大學 量子電子學研究所，北京 100871)

0 引言

銫束原子鐘是目前世界上最重要的守時型原子鐘之一[1]。1950年，N.Ramsey[2]提出了分離振蕩場技術，催生了銫束原子鐘。自從誕生以來，它們廣泛地應用在長期守時、導航定位以及軍事和科研等領域[3]。與銣鐘、氫鐘等其他商業(yè)化的原子鐘相比，銫束原子鐘的優(yōu)勢在于它的長期穩(wěn)定度。小型化的銫束原子鐘可以分為磁選態(tài)銫束原子鐘、光抽運銫束原子鐘和新型冷原子銫束原子鐘。國內(nèi)外很多科研小組和公司都致力于小型化銫束原子鐘的研究，誕生了一系列的科研成果或產(chǎn)品。北京大學光抽運銫束原子鐘小組一直致力于發(fā)展連續(xù)式的光抽運銫束原子鐘的關鍵技術，近些年來也取得了良好的進展。本文將回顧國內(nèi)外銫束原子鐘研究的方向和進展，著重介紹北京大學光抽運銫束原子鐘小組的研究進展，并將這些研究成果和產(chǎn)品進行比較。

1 國內(nèi)外銫束原子鐘進展回顧

最早發(fā)展的銫束原子鐘是磁選態(tài)的銫束原子鐘，而直至目前市面上最成功的銫束原子鐘產(chǎn)品是5071A，它是最經(jīng)典的磁選態(tài)銫束原子鐘產(chǎn)品，誕生于1992年，由HP公司開發(fā)。目前5071A優(yōu)質管的短期穩(wěn)定度為8.5×10-12/τ1/2，長期穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-14[4]。

隨著激光技術的發(fā)展，光抽運銫束原子鐘的概念應運而生[5]。利用激光抽運制備原子態(tài)的方法，可以提升銫原子束流的有效利用率，從而提升銫束原子鐘的信噪比，得到更高的穩(wěn)定度，更有效的原子利用率也會提升光抽運銫束原子鐘的預期壽命。2001年，美國的GPS-III光抽運銫束原子鐘[6]得到了目前光抽運銫束原子鐘最佳的短期穩(wěn)定度1.4×10-12/τ1/2，2007年歐洲的OSCAR計劃光抽運銫束原子鐘[7]也得到了1.4×10-12/τ1/2的短期穩(wěn)定度，持平美國的成果。在提升銫束原子鐘短期穩(wěn)定度方面，優(yōu)化激光噪聲是一個很好的途徑[8]。使用ECDL(外腔半導體激光器)之后，光抽運銫束原子鐘的激光噪聲得以下降，短期穩(wěn)定度將會得到提升。2001年GPS-III，2007年OSCAR，2002年Cs-4原子鐘[9]以及2020年北京大學[10]都有實驗證明了ECDL的優(yōu)勢。但是，在長期守時型原子鐘應用場景下，相比于DFB(distributed feedback)激光器來說，ECDL可靠性和穩(wěn)定性不足，原因在于難以長期維持激光頻率的鎖定。原理上，外腔激光器所使用的光柵的角度和位置，會受到外界環(huán)境影響等發(fā)生變化，超過反饋極限后系統(tǒng)無法維持入鎖；技術上，外腔激光器抗干擾性能較差，受到環(huán)境變化更易失鎖，并且外腔激光器的跳模點較多，在失鎖之后相對難以重新定位譜線并入鎖。目前能夠進行長期測量獲得長期穩(wěn)定度的銫束原子鐘使用的均為DFB半導體激光器。北京大學的BD-1024[11]磁選態(tài)-光檢測原子鐘是一種混合磁選態(tài)技術和激光技術的原子鐘，使用了DFB半導體激光器，在短期穩(wěn)定度方面達到4.1×10-12/τ1/2，5 d穩(wěn)定度達到7.7×10-15。成都天奧公司的TA-1000系列光抽運銫束原子鐘[12]是國內(nèi)最先進的商品化光抽運銫束原子鐘產(chǎn)品，其穩(wěn)定度達到5071A優(yōu)質管水平。Oscilloquartz公司[13]曾經(jīng)推出過商品化的光抽運銫束原子鐘OSA-3300，其穩(wěn)定度指標可以達到3×10-12/τ1/2水平，長期穩(wěn)定度的測試結果未知，目前在Oscilloquartz的官網(wǎng)上，OSA-3300也悄然下架。本文報道了北京大學光抽運銫原子鐘小組所研制的小銫鐘，在通過長達90 d的長期測試后，保持了3×10-12/τ1/2短期穩(wěn)定度的情況下，得到了7×10-15的5 d 穩(wěn)定度。

在保證銫束原子鐘的長期穩(wěn)定度的優(yōu)勢的前提下，提升銫束原子鐘的短期穩(wěn)定度是一個重要的探索方向。根據(jù)銫束原子鐘的穩(wěn)定度公式：

(1)

式(1)中，ω0表示銫束原子鐘的中心頻率，對應為9 192 631 770 Hz，Δω是Ramsey譜線的線寬，R是信噪比，τ是平均時間。銫束原子鐘的信噪比(SNR)在現(xiàn)有技術下已經(jīng)難以獲得本質上的提高，根據(jù)穩(wěn)定度公式，在銫原子鐘躍遷中心頻率不變的情況下，只能通過壓窄Ramsey信號的線寬來實現(xiàn)穩(wěn)定度的提升，而：

(2)

式(2)中，T是銫原子在兩個微波腔之間自由演化的時間，L是兩個微波腔之間的距離，v是銫原子束的飛行速度。對于小型化銫束原子鐘來說，受限于儀器體積，現(xiàn)有的銫束管無法大幅度加長，所以目前唯一可行的方式就是降低銫原子束流飛行的速度，從而延長分離振蕩場技術中自由演化的時間。瑞士小組FOCS-2[14]率先提出并實現(xiàn)了連續(xù)式的冷銫束噴泉原子鐘，得到了6×10-14/τ1/2的結果，法國PHARAO小組[15]研制了空間冷銫束原子鐘，地面實驗得到了3×10-13/τ1/2的運行結果，在軌估計1.1×10-13/τ1/2。中國科學院上海光機所[16]實驗驗證了冷原子銣束空間原子鐘可達到3×10-13/τ1/2的在軌頻率穩(wěn)定度。這些科研成果一定程度上證明了冷銫原子鐘的可行性。同時，激光冷卻原子的2D-MOT(二維磁光阱)技術在逐步成熟和小型化，這將使得小型化的冷銫束原子鐘的實現(xiàn)成為可能。

2 北京大學光抽運銫束原子鐘進展

北京大學光抽運銫束原子鐘小組從20世紀90年代開始就致力于發(fā)展光抽運銫束原子鐘關鍵技術。近年來在傳統(tǒng)的熱銫束原子鐘研究方面取得了突破性的進展，同時在冷銫束原子鐘研究方面進行摸索，開展了一系列的實驗，目前取得了階段性的成果。

2.1 熱銫束原子鐘研究進展

圖1介紹了北京大學光抽運銫原子鐘的基本結構，它主要由銫爐、微波腔、C場、激光系統(tǒng)、微波頻率綜合系統(tǒng)以及頻率控制系統(tǒng)組成。

圖1 光抽運銫原子鐘結構原理圖

相比于其他小組和公司的光抽運銫束原子鐘，本小組的光抽運銫束原子鐘的特點在于：①使用了DFB半導體激光器；②利用銫原子束熒光譜進行激光穩(wěn)頻；③抽運激光使用銫原子D2躍遷4-4線，檢測激光使用銫原子D2躍遷4-5線；④使用最大幅度進行微波功率的鎖定；⑤通過控制Zeeman頻率鎖定激光C場電流。國內(nèi)外光抽運銫束原子鐘的比較見表1。

表1 國內(nèi)外光抽運銫束原子鐘

小型化光抽運銫束原子鐘的主要指標可以分為短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度。根據(jù)近期測試結果，本小組研制的光抽運小銫鐘的短期穩(wěn)定度最優(yōu)化情況下可達到2.17×10-12/τ1/2(DFB)，經(jīng)過長達90+天的測試，本小組[17]的光抽運銫束原子鐘在保證短期穩(wěn)定度為3×10-12/τ1/2的情況下，長期穩(wěn)定度達到7×10-15水平，如圖2所示。

圖2 國內(nèi)外各類小型化的銫束原子鐘Allan標準偏差比較(數(shù)據(jù)、參考文獻，見表1)

2.2 冷銫束原子鐘研究進展

為了進一步提升光抽運銫束原子鐘的穩(wěn)定度，我們開展了冷銫束原子鐘的相關實驗。在實驗階段，我們使用了ECDL激光器來驗證冷原子銫束原子鐘的可行性。實驗原理如圖3所示。我們使用2D+-MOT(二維磁光阱)來形成二維的束型銫原子MOT，利用一束推送激光將原子束推出MOT區(qū)域，使其依次經(jīng)過抽運區(qū)，分離振蕩場和檢測區(qū)。與熱銫束原子鐘不同的是：①使用了兩臺外腔半導體激光器，一臺錐形激光放大器；②使用銫原子的飽和吸收譜穩(wěn)頻，分別對兩臺激光器進行穩(wěn)頻[19]；③在抽運區(qū)，我們使用了雙光抽運的方法，在原來單光抽運的基礎上再進一步提升原子束的有效利用率。如圖所示，我們實現(xiàn)4級的2D+-MOT，每一個的冷卻光功率為15 mW，這些冷卻光(4-5，紅失諧)中，反抽運光(3-3)占比10%，縱向推射光(4-5，零失諧)為120 μW。檢測光(4-5)功率為3 mW駐波場，抽運光1(4-3抽運)的功率為4 mW駐波場，抽運光2(3-3反抽運)的功率為1 mW。最終，我們獲得了1×1010atoms/s強度的原子束流量，并通過雙光抽運將原子的有效利用率提升到了50%左右，原子的飛行速度約為20 m/s，最終獲得的Ramsey條紋線寬為40 Hz，符合理論預期。相比于FOCS-2和PHARAO，我們的冷銫束原子鐘還維持了近似直線的原子束流路徑，為方便之后進一步小型化，整體微波腔結構繼承了原有熱銫束原子束管的設計。

圖3 冷銫束原子鐘的基本結構

圖4 PKU-ACT冷銫束光抽運銫束原子鐘Ramsey花樣

目前冷原子銫束原子鐘的信噪比約為300，本小組下一步的研究方向為提高2D+-MOT所形成的原子束流強度提升信噪比，然后縮小系統(tǒng)體積提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本小組的目標為最終實現(xiàn)商品化的冷銫束原子鐘。

3 總結和展望

本文回顧和比較了國內(nèi)外光抽運銫束原子鐘的研究進展和現(xiàn)狀，介紹了北京大學小型化光抽運熱、冷銫束原子鐘的研究進展。北京大學的小型化光抽運熱銫束原子鐘獲得了短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度的雙重突破，分別達到3×10-12/τ1/2和7×10-15，兩項指標均超越了5071A優(yōu)質管，商品化的小型化光抽運銫束原子鐘將在近期推出。光抽運冷銫束原子鐘獲得了線寬約40 Hz、信噪比約300的Ramsey信號，如果其信噪比可以達到10 000，那么頻率穩(wěn)定度可達3×10-12/τ1/2，這是一種連續(xù)的，具有高頻率穩(wěn)定度的原子鐘。小型化的冷銫束原子鐘將逐步研制并推出原理樣機，未來將發(fā)揮它的優(yōu)勢。