課題組名稱:銣原子噴泉
小組成員:魏榮研究員(組長)、:董日昌(博士生在讀)、杜遠博(博士已畢業)、史春艷(博士已畢業)、周子超(博士已畢業)、鄒凡(碩士生在讀)、陳婷婷(碩士生在讀)、王倩(碩士生在讀)
研究內容簡介:
研究背景——時間是最基本的物理量,時間單位“秒”是國際標準單位制(IS)中7個標準標準單位之一,也是其中最準確的,時間計量采用原子時,第13 屆國際度量會議(CGPM)給出了時間單位秒的定義為“1秒是133Cs 原子基態超精細能級躍遷周期的 9 192 631 770 倍。”,并在1977年增加了限定條件為“海平面高度和0K溫度”,“秒”是以原子鐘計量和實現的,目前的以133Cs噴泉鐘實現的“秒”的精確度在10-16量級。原子鐘不僅是時頻計量的基礎,而且在涉及時頻計量的許多領域具有廣泛而重要的應用,包括定位、導航、精密計量等。
圖1 噴泉鐘的原理和結構
原子噴泉鐘是目前可以實用化的精度最高的原子鐘,它的原理如圖1所示,采用激光冷卻的辦法制備冷原子并上拋,通過選態的辦法將冷原子制備到一個鐘躍遷的單態,在上拋路徑上有一個微波腔,讓冷原子與微波作用,由于是拋物運動,冷原子與微波腔作用兩次,這種方式稱之為Ramsey作用,探測作用后冷原子的布居數,根據布居數計算微波頻率與期望值的偏差,對微波系統反饋鎖定,微波系統輸出的頻率信號就代表原子噴泉鐘的性能指標。
研究內容
本課題組開展了銣原子噴泉鐘的研究,,包括銣的87Rb和85Rb兩種同位素,87Rb是第一個進入2級秒定義的元素,而我們是國際上唯一從事85Rb噴泉鐘研究的小組。
圖2 噴泉鐘組的時頻鏈路結構圖
主要包括下列研究內容:
1. 87Rb原子噴泉鐘的研制與應用——實現長期穩定度和不確定度在E-16量級的高性能噴泉鐘,并開展噴泉鐘的應用研究,包括87Rb鐘頻率測量、噴泉鐘的共視比對和頻率溯源、為其它研究小組提供高精度頻率信號等。
圖3 目前的87Rb噴泉鐘裝置
2. 85Rb噴泉鐘的研究及銣噴泉鐘組的運行——85Rb噴泉鐘的研制和85Rb鐘躍遷的高精度標定,開展基于噴泉鐘組的更高精度頻率報數、利用噴泉鐘組測試精細結構常數α隨時間的變化等
圖4 目前正在搭建的85Rb噴泉鐘實驗裝置
圖5 具有自己特色的型材網格噴泉光路
3. 噴泉鐘物理問題研究——噴泉鐘共性物理問題的研究,噴泉鐘的改進研究(例如2D+-MOT的冷原子裝載等),突破目前噴泉鐘穩定度和不確定度極限的研究等。
圖6 左圖為正在搭建的2D+-MOT實驗平臺,右圖為2D+-MOT真空裝置
圖7 左圖為共視天線,右圖為MJD 57250-57380時間段SIOM氫鐘與GPS時(IGST)、國家授時中心區域時UTC(NTSC)的共視比對結果,100萬秒積分時間的不確定度約為5E-15。
研究進展:
完成了一系列有特色的噴泉鐘技術,包括折疊光路、健康護衛、本機振蕩器(LO)直接鎖定、受激拉曼躍遷測磁場等,這些技術在其它實驗小組推廣。
圖8 左圖為折疊光路的原理,中圖為87Rb噴泉鐘上的折疊光路照片,右圖為健康護衛的短信報警裝置。折疊光路可以降低60%以上的激光功率,提高噴泉鐘的可靠性,健康護衛可以有效降低噴泉鐘的故障率,提高連續運行時間和故障解決效率。
87Rb噴泉鐘實現了頻率鎖定和不確定度評估,目前的性能指標為短期穩定度2.7E-13τ-1/2,長期穩定度1.4E-15@40千秒,不確定度優于2E-15。
圖9 87Rb噴泉鐘的Ramsey干涉條紋,線寬1Hz,信噪比246
圖10 87Rb噴泉鐘通過與氫鐘比對測得的穩定度指標,短期穩定度2.7E-13τ-1/2,長期穩定度1.4E-15@40千秒,長穩受限于氫鐘的穩定度。
圖11 左圖為LO直接鎖模式下產生的剩余頻率漂移RFD統計結果,它帶來3E-16的頻率偏差和2E-16的頻率不確定度;右圖是自比對實驗的測試結果噪聲變化,自比對是直接頻率評估的有效方法,它具有簡單、精度高的優點,在40萬秒的積分時間,測試誤差6E-16。
表格1 87Rb噴泉鐘不確定度評估表
受激拉曼躍遷測試磁場3部曲——基于受激拉曼躍遷,我們測試了87Rb原子噴泉鐘的冷原子飛行區域的磁場強度,分階段完成了3項工作:
圖12 87Rb基態的受激拉曼躍遷能譜
1. 利用一階塞曼效應測試了Ramsey作用區的磁場,測試精度在0.1nT以下;
2. 測試了二階塞曼效應,并將其應用于強磁場和大磁場梯度的測試,它使得受激拉曼躍遷測試磁場的動態范圍增加約3個數量級;
3. 利用受激拉曼躍遷與激光偏振的張量關系,通過改變拉曼激光的偏振,測試了磁場強度在3維空間的投影,實現了磁場矢量的直接測試。測試精度為:6.1mrad@軸向、0.16rad@軸平面角度。
圖13 利用受激拉曼躍遷測試磁場在噴泉鐘不同高度弱磁敏躍遷分裂的曲線瀑布圖。
(a) 對應Ramsey作用區,(b)對應作用區以下磁屏蔽口附近,(c)對應俘獲、選態-探測區域
圖14 受激拉曼躍遷的實驗結果。
(a)圖為同時出現1階、2階塞曼分裂的能級譜線,可以用能級分裂測試磁場強度,1階、2階塞曼分裂可以相互印證;(b)圖為根據躍遷強度測試磁場軸向夾角;(c) 圖為躍遷強度隨拉曼激光夾角變化及擬合曲線,用來測試軸平面夾角投影;(d)測試冷原子飛行區磁場強度分布。
實時噪聲分辨(RTND)——抑制原子鐘系統誤差、突破其不確定度和穩定度極限的方法,它的原理如圖4左圖所示,原子鐘功能實現時引入的各種效應影響其長穩和不確定度指標,如果該效應的噪聲表達式已知,關聯參數可實時測量,就可以在每一個誤差信號中剔除該效應引起的偏差,提高其性能指標,突破目前的原子鐘不確定度極限。用噪聲惡化法的演示實驗表明,該方法可以顯著抑制噪聲,將相關噪聲對長期穩定度和不確定度的貢獻降低1個數量級以上。
圖15 實時噪聲分辨的原理圖(左圖)和驗證實驗結果圖(右圖)
項目資助:
1. 國家自然科學基金重大研究計劃培育項目,91336105,銣同位素的精密標定及對精細結構常數變化的測試。
2. 國家自然科學基金面上項目,61275204,銣85基態超精細躍遷的精密測量及應用。
3. 國家自然科學基金面上項目,10974215,改進型冷原子噴泉的研究。
4. 國家自然科學基金青年基金,10604058,雙原子噴泉干涉實驗研究。
5. 若干XXXX項目。
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