从CPT原子钟到光钟 - 上海天文台.PDF

　　中　国　科　学　院　上　海　天　文　台　年　刊 ２００７年　总第２８期　　ＡＮＮＡＬＳＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＡＳＴＲＯＮＯＭＩＣＡＬＯＢＳＥＲＶＡＴＯＲＹ，ＣＡＳ 　 Ｎｏ．２８，　２００７ 从 ＣＰＴ原子钟到光钟 １ ２ 邱　实 　张军海 （１．中国科学院上海天文台，上海２０００３０；　２．哈尔滨工程大学理学院 ，哈尔滨 １５０００１） 提　　　要 简要介绍了新型ＣＰＴ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｔｒａｐｐｉｎｇ，相干布局囚禁）原子频标及光频标的基本原 ３ 理和研究进展。被动型ＣＰＴ铷原子钟物理部分的目前体积可控制在１００ｃｍ 以内，功耗 １Ｗ左右， 其稳定度为４×１０－１１ －１／２（为测量取样的时间间隔）。ＣＰＴ原理的铯原子频标的物理部分体积减 τ τ ３ －１０ －１／２ 小到１ｃｍ，功率减小到３０ｍＷ，稳定度为６×１０ τ ，成为当今体积最小、功耗最低的原子钟。 随着飞秒激光梳状发生器技术的发展，已将传统的谐波光频链的体积从几间实验室缩小到１．２× ２ １．０ｍ 的光学平台上，它与光频测量技术的结合，使微波频标与光频标联系起来，建立了光钟，它的 －１６ －１８ －２２ 稳定性可以从现在的１０ 的水平提高到１０ 乃至１０ 水平，成为当前最精密的时间计量仪器。 主题词：ＣＰＴ原子钟 — 飞秒激光梳状发生器 — 光钟 分类号：ＴＨ７１４．１ １　引　　言 自１９４８年美国国家标准局第一次用氨分子吸收谱线，实现了对石英晶体振荡器的频率锁 定，建成了世界上第一台原子钟以来，科学工作者对不同化学元素，不同振荡结构的原子钟进 行了大量的研究，但仅有使用氢、铷和铯三种元素的原子钟成为商品，得到广泛应用。但由于 该三种原子钟的工作机理不同，其性能指标上存在显著的差异。人们在追求缩小原子钟体积， 增加其实用性方面，提出了相干布局囚禁（ＣｏｈｅｒｅｎｔＰｏｐｕｌａｔｉｏｎＴｒａｐｐｉｎｇ，简称ＣＰＴ）原子钟；在 追求准确度方面提出了喷泉原子钟。随着激光冷却和囚禁原子技术（获１９９７年度Ｎｏｂｌｅ物理 学奖）的发展，及上世纪末飞秒激光梳状（获２００５年Ｎｏｂｌｅ物理学奖）发生器的发明，使光频测 量成为可能，进而发展了新一代准确度最高的钟———光钟，由于原子喷泉钟从机理上和光抽运 铯原子钟及传统铯钟有很多相近的地方，这里无需冗述。 ２　ＣＰＴ原子钟 所有经典微波频标的特点都是把原子基态的００跃迁作为参考频率来锁定晶体振荡器。 为提高参考信号的强度，在原子产生００跃迁前，都要经历一个原子态的制备过程，运用了磁 场空间偏转技术和光抽运技术（如氢Ｈ，铷Ｒｂ，铯 Ｃｓ频标），其特点是原子态的制备和００跃 ［１］ 迁在不同的时间和空间依次进行。然而上世纪７０年代Ａｌｚｅｔｔａ等人发现了ＣＰＴ现象 ，使用 收稿日期：２００７０７０２；　修回日期：２００７０７１７ 总第２８期　　　　　　　　　　　　　　　从ＣＰＴ原子钟到光钟 １６７ 一个 结构封闭三能级原子系统，可以把两个过程合二为一，大大压缩量子系统的空间。例如 ∧ ３ ＣＰＴ型Ｒｂ原子频标可以使其物理部分的体积控制在１００ｃｍ 以内，功耗１Ｗ左右，其稳定度与 －１１ －１／２ ［２］ 时间的关系为４×１０ （ 为测量取样的时间间隔） 。中国科学院上海光机所也开展