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超強激光科學卓越創新簡報

(第九十五期)

2020年4月23日

上海光機所在脈沖光抽運原子鐘研究領域取得新進展

  近期,中國科學院上海光學精密機械研究所量子光學實驗室鄧見遼副研究員領銜的脈沖光抽運(POP)原子鐘小組,在王育竹院士開創的光抽運氣泡原子鐘研究基礎上,在POP原子鐘中長期頻率穩定度優化方面取得新進展,相關成果作為編輯精選文章發表于《科學儀器評論》(Review of Scientific Instruments),美國物理研究所出版社(AIP Publishing)的Scilight同時以“A more stable design for a pulsed optically pumped atomic clock”為題報道了這一研究成果。 

  POP原子鐘因其具有體積小、重量輕、頻率穩定度高等優點,在衛星導航、精密光譜和高速通信等領域具有非常重要的應用前景。原子鐘的共振頻率對許多參數的波動很敏感,這使得優化以激光為基礎的氣泡原子鐘(例如POP鐘原子)的中長期頻率穩定度成為一項亟待解決的挑戰性難題。 

  該項研究中,研究人員首先將分布布拉格反饋(DBR)激光器、飽和吸收光路和聲光調制器(AOM)集成到一個275mm×203mm×90mm(長×寬×高)的模塊中,提高了激光的頻率和功率穩定性。其次將整個物理系統密封在一個由20 L/s的離子泵維持的真空度為4×10-4Pa的真空罐中,從而顯著減小氣壓效應對原子鐘頻率穩定度的影響。再次將交流溫控電路驅動的加熱膜貼在微波腔上使微波腔的萬秒溫度穩定度達到31μK,減小了溫度相關緩沖氣體頻移的影響。最后采用PXI平臺提高了原子鐘伺服控制系統的精度和可靠性。采用上述改進措施后POP原子鐘萬秒頻率穩定度達到4.7×10-15,與目前國際上最高水平的POP原子鐘相當。 

  課題組掌握了高精度氣泡原子鐘的關鍵技術,在進一步解決物理系統、光學系統和控制系統小型化和可靠性的基礎上有望研制出高性能氣泡原子鐘工程樣機。 

  相關工作得到了國家自然科學基金委、上海光機所自主部署項目的支持。(量子光學實驗室供稿) 

  原文鏈接 

POP原子鐘原理框圖、Ramsey條紋和頻率穩定度曲線

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