左婭妮,戴少陽,曹士英,劉昆,陳偉亮,鄭發(fā)松,李天初,房芳
(1.中國計量科學研究院,北京 100029;2.國家時間頻率計量中心,北京 100029)
工作頻率在光頻的原子鐘簡稱光鐘,由于光頻是微波頻率的1×105倍,因此在相同線寬下光鐘比微波鐘擁有更高的Q值[1]。目前光鐘的自評估頻率不確定度已經超越了給出國際單位SI秒定義的銫噴泉鐘,成為實現(xiàn)下一代秒定義的最佳候選方案[2]。根據參考頻率物理體系不同,光鐘分為離子光鐘和中性原子晶格光鐘,他們各具優(yōu)勢:晶格光鐘同時囚禁數千個原子,信噪比高、頻率穩(wěn)定度高,但需要多維冷卻和磁光阱,系統(tǒng)方案較為復雜;離子光鐘通常囚禁單個或少數幾個離子,穩(wěn)定度稍遜于晶格光鐘,但離子的囚禁壽命和相干時間長、與背景噪聲隔絕更好且系統(tǒng)簡單緊湊,因此不確定度更低、更容易實現(xiàn)小型化和搬運。
目前,國際上基于囚禁離子和晶格中性原子光鐘的準確度指標已經達到1×10-18甚至更好[3]。美國國家標準技術研究所(NIST)研制的基于邏輯譜的鋁離子光頻標頻率不確定度已經進入1×10-19量級,另外德國聯(lián)邦物理技術研究院(PTB)的鐿離子光頻標、美國NIST的鐿原子光晶格和鍶原子光晶格鐘頻率不確定度也經達到了小系數10-18。在國內,中國計量院、中國科學院國家授時中心、華東師范大學、中國科學院武漢物理與數學研究所、華中科技大學、國防科技大學等單位研制的光鐘都取得了階段性的成果。國際計量咨詢委員會(CIPM)時間頻率咨詢委員會(CCTF)據此現(xiàn)狀制定的秒定義修改路線中重點指出,至少需要實現(xiàn)對3種或3種以上不同種光鐘的頻率進行10-18水平的比對測量。因此,為應對秒定義修改的國際形勢,中國計量科學研究院(NIM)在鍶晶格光鐘的研究基礎上[4],開始設計和搭建基于端帽阱的單鐿離子光鐘。
每種作為離子光鐘候選的離子都各具優(yōu)劣,從系統(tǒng)頻移和技術復雜度方面綜合考慮,我們選擇鐿離子作為鐘躍遷離子。帶單電荷的鐿離子具有類堿金屬的能級結構,如圖1所示。
注:圖中顯示了鐿離子的冷卻、重泵、離化、探測、鐘躍遷對應譜線能級
171號同位素鐿離子具有兩條作為次級秒定義的鐘躍遷譜線(電四極躍遷E2和電八極躍遷E3),其E3躍遷上能級壽命超長(能級壽命達到約5.4年),自然線寬在nHz量級,對外場擾動敏感度極低,通過進一步的壓制各種系統(tǒng)頻移(如黑體輻射頻移、離子的運動頻移、電四極頻移、賽曼頻移、激光功率引起的斯塔克頻移等),有可能建立不確定度較低的光鐘,開展更高精度的精密測量物理驗證實驗,在其上可獲得極低的不確定度。同時,鐿離子相對原子質量大且冷卻激光波長接近與背景氣體反應生成分子離子(YbH+)的解離波長,因此,鐿離子具有較長的存儲時間(約16個月)。另外,用于操縱鐿離子的激光器容易獲得,而且相對穩(wěn)定。
四極躍遷(E2)2S1/2(F=0)→2D3/2(F=2)波長436 nm,滿足四極躍遷選擇定則,相對八極躍遷禁戒程度低,自然線寬3 Hz,對操縱能級激光強度和穩(wěn)定度要求相對低,是緊湊可搬運離子光鐘的有力備選方案。不過相對短的能級壽命(53 ms)限制了四極躍遷鐿離子鐘最終性能。實驗中值得注意的是,四極躍遷對于環(huán)境磁場穩(wěn)定性要求高于八極躍遷。八極躍遷(E3)2S1/2(F=0)→2F7/2(F=3)波長467 nm,自然線寬極窄在nHZ量級,鐘躍遷探測無需考慮能級壽命限制,由于激發(fā)的是內層電子躍遷,因此八極躍遷對環(huán)境電磁場擾動更加不敏感,靈敏度相對于四極躍遷低一個數量級。盡管八極躍遷是極好的頻率參考,但由于躍遷概率較低,需要很高功率的激發(fā)光強(大約比其他躍遷高8個數量級),因此需要特別注意激光線寬并采用Hyper-Ramsey技術,以降低與其他能級的非共振耦合和光頻移。
本實驗系統(tǒng)設計同時針對四極和八級躍遷,考慮實驗復雜度,首先開展四極躍遷相關工作,因此激光穩(wěn)頻光路中僅給出四極躍遷鐘激光對應的穩(wěn)頻光路,不過八級躍遷與其原理相同。鐿離子光鐘系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、數據采集和控制系統(tǒng),其中物理系統(tǒng)包含封裝端帽阱的真空系統(tǒng)和射頻電壓驅動部分,光學系統(tǒng)包括各激光及光梳等部分。實驗中,我們使用雙非球面透鏡通過PMT和EMCCD收集離子的熒光。為驗證系統(tǒng)可行性,首先在其上開展E2躍遷實驗,考慮到環(huán)境磁場對E2躍遷的影響,我們還建立了一個由亥姆霍茲線圈和兩層坡莫合金的磁屏蔽系統(tǒng)。目前,封裝離子阱的真空腔真空度優(yōu)于1×10-8Pa。圖2 給出的部分光路是冷卻、泵浦、離化、探測4束激光合束后入射進離子阱的示意圖,以及真空系統(tǒng)的示意圖,其中圖 2(a)和(b)分別為側視圖和俯視圖。圖中展示從其他光學平臺傳來光纖的耦合器,以及長方體真空腔實際尺寸僅為200×100×80 mm3(圖中加入了比例尺),后期完全可以配合各激光器集成在工控機柜中。
圖2 鐿離子光鐘部分物理系統(tǒng)和光學系統(tǒng)示意圖
鐿離子冷卻設計采用直接多普勒冷卻,冷卻光波長為369.526 nm,與2S1/2到2P1/2躍遷共振??紤]到上能級2P1/2的超精細分裂,實驗中用14.7 GHz的EOM產生微波側邊帶,同時施加強磁場確保冷卻效率。由于2P1/2能級可能落到亞穩(wěn)態(tài)2D3/2,因此使用935.2 nm的激光將離子泵浦回基態(tài)。離子冷卻通過激發(fā)偶極躍遷2S1/2(F=1)→2P1/2(F=2)實現(xiàn),對應波長370 nm,本實驗采用外腔半導體激光器倍頻產生冷卻激光,將腰斑約50 μm的光束聚焦于阱中心位置,相同腰斑尺寸的935 nm泵浦光與冷卻光合束。
由于單個離子的熒光信號較弱且信噪比較低,鐘的短期穩(wěn)定性受到量子投影噪聲的限制,不確定性評估需要較長時間,系統(tǒng)選擇通過光梳鎖定各級波長激光[5-6],如圖3所示。
離子阱是囚禁離子以及離子與激光相互作用的場所,是離子光鐘最為重要組件之一。離子阱的電場分布對離子的穩(wěn)定囚禁,以及最終光鐘不確定度具有決定性作用。
為達到較低的不確定度,需要仔細考慮離子阱設計,通過選擇合理的幾何結構和熱輻射特性材料,可以延長離子的囚禁時間和降低系統(tǒng)頻移及其不確定度。因為Penning 阱所需磁場對鐘躍遷譜線的影響,離子光鐘通常使用Paul阱。對于不同幾何構型的Paul阱,盡管雙曲面電極可以產生完美四極電勢,但是加工難度和通光孔徑的需求,實驗中通常都采用變型。線型阱(包括刀片型及芯片型)通常用于囚禁多個離子,囚禁單離子的適用于球型離子阱也有環(huán)形和端帽型。其中,端帽型對阱電極的加工精度要求更低且更簡單,擁有更大的通光范圍。因為我們的目標是囚禁單個離子,更低的不確定性,更低的復雜性,因此采用端帽類型。
為實現(xiàn)單個鐿離子的穩(wěn)定囚禁,實驗采用德國PTB設計的Schrama型端帽阱施加交變電場,其中直徑0.6 mm的端電極分離1 mm。端帽型Paul阱具有開放的激光耦合角,有利于開展多維冷卻且降低系統(tǒng)復雜度和溫度不確定度,確保并提高黑體輻射頻移評估的準確性。離子通過光離化原子蒸汽產生,其中金屬鐿裝在靠近離子阱中心的金屬管內,通電加熱原子爐產生少量蒸汽。
離子在交變電場中運動可由偏微分方程組解出,穩(wěn)定囚禁的參數(包含離子質量、電荷、驅動電壓頻率、幅值)對應方程組有穩(wěn)定不發(fā)散解的參數區(qū)間,反過來對實驗中施加電壓幅度和頻率提出了要求。為了獲得本實驗中端帽阱穩(wěn)定囚禁鐿離子的高壓射頻電場,本文設計和搭建了低噪聲、高壓、穩(wěn)定的功率放大器,即螺旋諧振器。螺旋諧振器可以同時滿足信號源與離子阱的阻抗匹配、功率放大、以及噪聲濾除需求。
交流電場URF加載在端電極上,外部電極接地。實驗中,通常在外部電極加載較小的直流電壓,補償離子偏離勢阱中心引起的剩余微運動。為了穩(wěn)定囚禁離子,選擇合適的加載在電極上的電壓和頻率可以使離子運動的偏微分方程有穩(wěn)定解。加載的交變射頻場將在端帽阱中心產生等效間諧勢場。
選擇合適的參數后,則需要將射頻電場加載到離子阱。因為離子阱相當于容性元件,驅動源需要通過放大阻抗匹配到離子阱。為了穩(wěn)定囚禁離子,離子阱的射頻驅動電壓需要同時滿足低噪聲、高壓、功率穩(wěn)定的要求,表明驅動電路同時具有放大和濾波的特性[7-9]。
離子運動的監(jiān)視和信號的探測通過兩個大真空窗口之一實現(xiàn),更換CCD或PMT并使其靠近窗口可增大熒光收集效率和等效立體角。根據離子運動方程得到運動頻率,可以將離子運動分為等效簡諧勢場對應的宏運動和由驅動射頻電場引入的微運動。得益于鐿離子較大的相對原子質量,本實驗擬通過多普勒冷卻實現(xiàn)單離子的冷卻制備。微運動的壓制通過靠近離子阱的補償電極饋入直流電壓實現(xiàn)。
實驗設計的螺旋諧振器實現(xiàn)了信號源和離子阱之間的阻抗匹配。諧振器的三維結構和內部線圈如圖 4(a)所示,通過設計不同尺寸和匝數,初步裝配到離子阱上測得的品質因子滿足實驗需求。本文使用的諧振器,工作在頻率Ω=2π×25 MHz,電壓300 V,Q值175,如圖 4(b)所示。與其他科研小組現(xiàn)階段已經實現(xiàn)離子穩(wěn)定囚禁的課題組相比,初步滿足實驗需求,如表1所示,但還有進一步提升的空間。
圖4 驅動離子阱的螺旋諧振器
表1 射頻驅動器研究現(xiàn)狀
面對秒定義變革挑戰(zhàn),考慮到鐿離子光鐘緊湊穩(wěn)定的優(yōu)勢,本文介紹了計量院基于端帽阱的鐿離子光鐘初步的系統(tǒng)設計和搭建。
目前使用次級線圈的支撐結構可能影響系統(tǒng)Q值,下一步擬采用更大直徑的次級線圈。另外,通過直接焊接的方式進一步降低損耗,改善材料的抗氧化性能(鍍銀或高導電無氧銅),使用更低電導率的材料固定線圈(PU泡沫)等措施,有望進一步提高諧振器Q值。