汞原子光晶格鐘的關鍵技術研究

《汞原子光晶格鐘的關鍵技術研究》是依託中國科學院上海光學精密機械研究所，由徐震擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：汞原子光晶格鐘的關鍵技術研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：徐震
• 依託單位：中國科學院上海光學精密機械研究所

項目摘要

光晶格鐘的研究發展非常迅速，其穩定度和準確度已經超越了微波噴泉鐘和離子阱光鐘。汞原子光晶格鐘，有可能突破現有的鍶和鐿原子的黑體輻射頻移極限，在室溫下達到E-18量級的不確定度。這對驗證基本粒子物理中的標準模型、觀測基本物理常數隨時間的變化等“新物理”效應非常重要。為達到E-18量級的不確定度，快速有效的將汞原子冷卻並裝載到較深的光晶格和實現低噪聲的超穩鐘頻雷射進行窄線鐘頻躍遷探測是必須解決的關鍵問題。本項目擬在已有的實驗系統和近期研究結果上，改進物理系統和冷卻雷射系統，獲得大功率冷卻雷射，實現汞原子的快速裝載和冷卻，建立一套鎖定在超穩腔上的鐘頻雷射系統，並探測鐘頻躍遷。

結題摘要

汞原子光晶格鐘由於具有黑體輻射頻移小的特點，是一種非常有特色的秒定義候選元素。本項目針對汞原子光晶格鐘的研製中若干具有挑戰性的關鍵技術進行研究，包括冷原子的製備和參數測量、超穩雷射的獲得、高效率倍頻技術、紫外雷射技術等，為下一步實現汞原子光晶格鐘奠定了紮實的基礎。 在汞原子的雷射冷卻上，實現了汞原子6個同位素的雷射冷卻和信號參數測量，獲得了最多1.7(1.5)E6個202Hg（199Hg）原子，通過壓縮磁光阱等技術，將202Hg（199Hg）原子溫度冷卻到170 μK（50 μK），獲得了低於都卜勒冷卻極限的原子溫度。 鐘頻雷射探測上，研製完成了紫外超穩雷射系統（265.6 nm），並探測了冷原子中的鐘頻躍遷光譜。實現了1062.5 nm超穩雷射的PDH穩頻，將雷射頻率鎖定在ULE超穩腔上。通過兩級主動控溫，實現超穩腔的外層溫控優於1 mK，測量了超穩腔隔溫層的時間常數為2.7天，零膨脹溫度約為18.5度。研究了雷射功率和電光調製器的剩餘幅度調製對雷射頻率的影響，並通過光纖噪聲消除技術將光纖引入的噪聲抑制到秒穩E-17量級。超穩雷射經過光纖放大和兩級倍頻，獲得了10.6 mW的紫外鐘頻雷射輸出，利用該雷射探測了冷原子中的鐘頻躍遷光譜，測量了冷卻光引起的光頻移。 研製完成了大功率紫外冷卻雷射系統（253.7 nm），實現了室溫下1014.8 nm光纖雷射放大，通過兩級高效率倍頻，並解決了大功率紫外倍頻的損傷問題，獲得了1.4 W的紫外冷卻雷射輸出，穩定輸出功率為760 mW，該功率為文獻報導的最大值。 提出了362.5 nm光晶格雷射系統方案，建立了725 nm種子雷射器，搭建了鈦寶石注入鎖定雷射系統，正在進行測試。在三維磁光阱的實驗基礎上，計算了二維磁光阱的實驗參數，設計了新的無磁鈦合金真空系統，正在進行加工。