陳徐宗，賀軒，袁志超，謝偉濱，陳楠，熊擇正，方聲偉，王青，齊向暉

(北京大學(xué) 量子電子學(xué)研究所，北京 100871)

0 引言

銫束原子鐘是目前世界上最重要的守時(shí)型原子鐘之一[1]。1950年，N.Ramsey[2]提出了分離振蕩場(chǎng)技術(shù)，催生了銫束原子鐘。自從誕生以來，它們廣泛地應(yīng)用在長(zhǎng)期守時(shí)、導(dǎo)航定位以及軍事和科研等領(lǐng)域[3]。與銣鐘、氫鐘等其他商業(yè)化的原子鐘相比，銫束原子鐘的優(yōu)勢(shì)在于它的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。小型化的銫束原子鐘可以分為磁選態(tài)銫束原子鐘、光抽運(yùn)銫束原子鐘和新型冷原子銫束原子鐘。國(guó)內(nèi)外很多科研小組和公司都致力于小型化銫束原子鐘的研究，誕生了一系列的科研成果或產(chǎn)品。北京大學(xué)光抽運(yùn)銫束原子鐘小組一直致力于發(fā)展連續(xù)式的光抽運(yùn)銫束原子鐘的關(guān)鍵技術(shù)，近些年來也取得了良好的進(jìn)展。本文將回顧國(guó)內(nèi)外銫束原子鐘研究的方向和進(jìn)展，著重介紹北京大學(xué)光抽運(yùn)銫束原子鐘小組的研究進(jìn)展，并將這些研究成果和產(chǎn)品進(jìn)行比較。

1 國(guó)內(nèi)外銫束原子鐘進(jìn)展回顧

最早發(fā)展的銫束原子鐘是磁選態(tài)的銫束原子鐘，而直至目前市面上最成功的銫束原子鐘產(chǎn)品是5071A，它是最經(jīng)典的磁選態(tài)銫束原子鐘產(chǎn)品，誕生于1992年，由HP公司開發(fā)。目前5071A優(yōu)質(zhì)管的短期穩(wěn)定度為8.5×10-12/τ1/2，長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-14[4]。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，光抽運(yùn)銫束原子鐘的概念應(yīng)運(yùn)而生[5]。利用激光抽運(yùn)制備原子態(tài)的方法，可以提升銫原子束流的有效利用率，從而提升銫束原子鐘的信噪比，得到更高的穩(wěn)定度，更有效的原子利用率也會(huì)提升光抽運(yùn)銫束原子鐘的預(yù)期壽命。2001年，美國(guó)的GPS-III光抽運(yùn)銫束原子鐘[6]得到了目前光抽運(yùn)銫束原子鐘最佳的短期穩(wěn)定度1.4×10-12/τ1/2，2007年歐洲的OSCAR計(jì)劃光抽運(yùn)銫束原子鐘[7]也得到了1.4×10-12/τ1/2的短期穩(wěn)定度，持平美國(guó)的成果。在提升銫束原子鐘短期穩(wěn)定度方面，優(yōu)化激光噪聲是一個(gè)很好的途徑[8]。使用ECDL(外腔半導(dǎo)體激光器)之后，光抽運(yùn)銫束原子鐘的激光噪聲得以下降，短期穩(wěn)定度將會(huì)得到提升。2001年GPS-III，2007年OSCAR，2002年Cs-4原子鐘[9]以及2020年北京大學(xué)[10]都有實(shí)驗(yàn)證明了ECDL的優(yōu)勢(shì)。但是，在長(zhǎng)期守時(shí)型原子鐘應(yīng)用場(chǎng)景下，相比于DFB(distributed feedback)激光器來說，ECDL可靠性和穩(wěn)定性不足，原因在于難以長(zhǎng)期維持激光頻率的鎖定。原理上，外腔激光器所使用的光柵的角度和位置，會(huì)受到外界環(huán)境影響等發(fā)生變化，超過反饋極限后系統(tǒng)無法維持入鎖；技術(shù)上，外腔激光器抗干擾性能較差，受到環(huán)境變化更易失鎖，并且外腔激光器的跳模點(diǎn)較多，在失鎖之后相對(duì)難以重新定位譜線并入鎖。目前能夠進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定度的銫束原子鐘使用的均為DFB半導(dǎo)體激光器。北京大學(xué)的BD-1024[11]磁選態(tài)-光檢測(cè)原子鐘是一種混合磁選態(tài)技術(shù)和激光技術(shù)的原子鐘，使用了DFB半導(dǎo)體激光器，在短期穩(wěn)定度方面達(dá)到4.1×10-12/τ1/2，5 d穩(wěn)定度達(dá)到7.7×10-15。成都天奧公司的TA-1000系列光抽運(yùn)銫束原子鐘[12]是國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的商品化光抽運(yùn)銫束原子鐘產(chǎn)品，其穩(wěn)定度達(dá)到5071A優(yōu)質(zhì)管水平。Oscilloquartz公司[13]曾經(jīng)推出過商品化的光抽運(yùn)銫束原子鐘OSA-3300，其穩(wěn)定度指標(biāo)可以達(dá)到3×10-12/τ1/2水平，長(zhǎng)期穩(wěn)定度的測(cè)試結(jié)果未知，目前在Oscilloquartz的官網(wǎng)上，OSA-3300也悄然下架。本文報(bào)道了北京大學(xué)光抽運(yùn)銫原子鐘小組所研制的小銫鐘，在通過長(zhǎng)達(dá)90 d的長(zhǎng)期測(cè)試后，保持了3×10-12/τ1/2短期穩(wěn)定度的情況下，得到了7×10-15的5 d 穩(wěn)定度。

在保證銫束原子鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定度的優(yōu)勢(shì)的前提下，提升銫束原子鐘的短期穩(wěn)定度是一個(gè)重要的探索方向。根據(jù)銫束原子鐘的穩(wěn)定度公式：

(1)

式(1)中，ω0表示銫束原子鐘的中心頻率，對(duì)應(yīng)為9 192 631 770 Hz，Δω是Ramsey譜線的線寬，R是信噪比，τ是平均時(shí)間。銫束原子鐘的信噪比(SNR)在現(xiàn)有技術(shù)下已經(jīng)難以獲得本質(zhì)上的提高，根據(jù)穩(wěn)定度公式，在銫原子鐘躍遷中心頻率不變的情況下，只能通過壓窄Ramsey信號(hào)的線寬來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定度的提升，而：

(2)

式(2)中，T是銫原子在兩個(gè)微波腔之間自由演化的時(shí)間，L是兩個(gè)微波腔之間的距離，v是銫原子束的飛行速度。對(duì)于小型化銫束原子鐘來說，受限于儀器體積，現(xiàn)有的銫束管無法大幅度加長(zhǎng)，所以目前唯一可行的方式就是降低銫原子束流飛行的速度，從而延長(zhǎng)分離振蕩場(chǎng)技術(shù)中自由演化的時(shí)間。瑞士小組FOCS-2[14]率先提出并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)式的冷銫束噴泉原子鐘，得到了6×10-14/τ1/2的結(jié)果，法國(guó)PHARAO小組[15]研制了空間冷銫束原子鐘，地面實(shí)驗(yàn)得到了3×10-13/τ1/2的運(yùn)行結(jié)果，在軌估計(jì)1.1×10-13/τ1/2。中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所[16]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了冷原子銣?zhǔn)臻g原子鐘可達(dá)到3×10-13/τ1/2的在軌頻率穩(wěn)定度。這些科研成果一定程度上證明了冷銫原子鐘的可行性。同時(shí)，激光冷卻原子的2D-MOT(二維磁光阱)技術(shù)在逐步成熟和小型化，這將使得小型化的冷銫束原子鐘的實(shí)現(xiàn)成為可能。

2 北京大學(xué)光抽運(yùn)銫束原子鐘進(jìn)展

北京大學(xué)光抽運(yùn)銫束原子鐘小組從20世紀(jì)90年代開始就致力于發(fā)展光抽運(yùn)銫束原子鐘關(guān)鍵技術(shù)。近年來在傳統(tǒng)的熱銫束原子鐘研究方面取得了突破性的進(jìn)展，同時(shí)在冷銫束原子鐘研究方面進(jìn)行摸索，開展了一系列的實(shí)驗(yàn)，目前取得了階段性的成果。

2.1 熱銫束原子鐘研究進(jìn)展

圖1介紹了北京大學(xué)光抽運(yùn)銫原子鐘的基本結(jié)構(gòu)，它主要由銫爐、微波腔、C場(chǎng)、激光系統(tǒng)、微波頻率綜合系統(tǒng)以及頻率控制系統(tǒng)組成。

圖1 光抽運(yùn)銫原子鐘結(jié)構(gòu)原理圖

相比于其他小組和公司的光抽運(yùn)銫束原子鐘，本小組的光抽運(yùn)銫束原子鐘的特點(diǎn)在于：①使用了DFB半導(dǎo)體激光器；②利用銫原子束熒光譜進(jìn)行激光穩(wěn)頻；③抽運(yùn)激光使用銫原子D2躍遷4-4線，檢測(cè)激光使用銫原子D2躍遷4-5線；④使用最大幅度進(jìn)行微波功率的鎖定；⑤通過控制Zeeman頻率鎖定激光C場(chǎng)電流。國(guó)內(nèi)外光抽運(yùn)銫束原子鐘的比較見表1。

表1 國(guó)內(nèi)外光抽運(yùn)銫束原子鐘

小型化光抽運(yùn)銫束原子鐘的主要指標(biāo)可以分為短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度。根據(jù)近期測(cè)試結(jié)果，本小組研制的光抽運(yùn)小銫鐘的短期穩(wěn)定度最優(yōu)化情況下可達(dá)到2.17×10-12/τ1/2(DFB)，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)90+天的測(cè)試，本小組[17]的光抽運(yùn)銫束原子鐘在保證短期穩(wěn)定度為3×10-12/τ1/2的情況下，長(zhǎng)期穩(wěn)定度達(dá)到7×10-15水平，如圖2所示。

圖2 國(guó)內(nèi)外各類小型化的銫束原子鐘Allan標(biāo)準(zhǔn)偏差比較(數(shù)據(jù)、參考文獻(xiàn)，見表1)

2.2 冷銫束原子鐘研究進(jìn)展

為了進(jìn)一步提升光抽運(yùn)銫束原子鐘的穩(wěn)定度，我們開展了冷銫束原子鐘的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)階段，我們使用了ECDL激光器來驗(yàn)證冷原子銫束原子鐘的可行性。實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。我們使用2D+-MOT(二維磁光阱)來形成二維的束型銫原子MOT，利用一束推送激光將原子束推出MOT區(qū)域，使其依次經(jīng)過抽運(yùn)區(qū)，分離振蕩場(chǎng)和檢測(cè)區(qū)。與熱銫束原子鐘不同的是：①使用了兩臺(tái)外腔半導(dǎo)體激光器，一臺(tái)錐形激光放大器；②使用銫原子的飽和吸收譜穩(wěn)頻，分別對(duì)兩臺(tái)激光器進(jìn)行穩(wěn)頻[19]；③在抽運(yùn)區(qū)，我們使用了雙光抽運(yùn)的方法，在原來單光抽運(yùn)的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步提升原子束的有效利用率。如圖所示，我們實(shí)現(xiàn)4級(jí)的2D+-MOT，每一個(gè)的冷卻光功率為15 mW，這些冷卻光(4-5，紅失諧)中，反抽運(yùn)光(3-3)占比10%，縱向推射光(4-5，零失諧)為120 μW。檢測(cè)光(4-5)功率為3 mW駐波場(chǎng)，抽運(yùn)光1(4-3抽運(yùn))的功率為4 mW駐波場(chǎng)，抽運(yùn)光2(3-3反抽運(yùn))的功率為1 mW。最終，我們獲得了1×1010atoms/s強(qiáng)度的原子束流量，并通過雙光抽運(yùn)將原子的有效利用率提升到了50%左右，原子的飛行速度約為20 m/s，最終獲得的Ramsey條紋線寬為40 Hz，符合理論預(yù)期。相比于FOCS-2和PHARAO，我們的冷銫束原子鐘還維持了近似直線的原子束流路徑，為方便之后進(jìn)一步小型化，整體微波腔結(jié)構(gòu)繼承了原有熱銫束原子束管的設(shè)計(jì)。

圖3 冷銫束原子鐘的基本結(jié)構(gòu)

圖4 PKU-ACT冷銫束光抽運(yùn)銫束原子鐘Ramsey花樣

目前冷原子銫束原子鐘的信噪比約為300，本小組下一步的研究方向?yàn)樘岣?D+-MOT所形成的原子束流強(qiáng)度提升信噪比，然后縮小系統(tǒng)體積提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本小組的目標(biāo)為最終實(shí)現(xiàn)商品化的冷銫束原子鐘。

3 總結(jié)和展望

本文回顧和比較了國(guó)內(nèi)外光抽運(yùn)銫束原子鐘的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀，介紹了北京大學(xué)小型化光抽運(yùn)熱、冷銫束原子鐘的研究進(jìn)展。北京大學(xué)的小型化光抽運(yùn)熱銫束原子鐘獲得了短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度的雙重突破，分別達(dá)到3×10-12/τ1/2和7×10-15，兩項(xiàng)指標(biāo)均超越了5071A優(yōu)質(zhì)管，商品化的小型化光抽運(yùn)銫束原子鐘將在近期推出。光抽運(yùn)冷銫束原子鐘獲得了線寬約40 Hz、信噪比約300的Ramsey信號(hào)，如果其信噪比可以達(dá)到10 000，那么頻率穩(wěn)定度可達(dá)3×10-12/τ1/2，這是一種連續(xù)的，具有高頻率穩(wěn)定度的原子鐘。小型化的冷銫束原子鐘將逐步研制并推出原理樣機(jī)，未來將發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。