钙离子光时标守时技术研究

近年来光学频率标准(光钟)技术快速发展,国际时间频率咨询委员会计划于2030年用光钟重新定义“秒”,并提出了技术路线,光时标的研究也成为时间频率领域的研究热点。利用钙离子光钟驾驭微波氢钟,开展高精度光时标信号TS(Ca^(+))产生技术研究。结果表明,钙离子光钟准连续稳定运行率可达87%,稳定度达8×10^(-17)/day。对光钟和氢钟的频率比对测量分别采用微波频率锁定方案(上转换)和光生超稳微波方案(下转换),上转换方案引入了并放大了噪声,测量数据比氢钟稳定度差,而下转换方案产生超稳微波,测量数据频率稳定度与氢钟几乎重合,实现了光钟对氢钟的准确测量。将测量得到的频差数据直接置入相位微跃计,产生光时标TS(Ca^(+)),独立运行的光时标TS(Ca^(+))在一个月内与UTC偏差保持在0.6 ns以内。研究成果为报送秒定义数据和驾驭自由原子时TAI提供技术基础,为提升我国光时标守时能力提供了宝贵的技术支持和工程经验。

可搬运钙离子光钟的集成化激光冷却系统

时间单位“秒”是人类计量最为精准的国际单位,目前国际单位制(SI)“秒”的定义是基于微波跃迁的铯原子(^(133)Cs)喷泉钟。光钟的参考跃迁频率为光学频率,理论上精度会比微波钟高4个数量级,因此可能成为未来的国际“秒”定义。可搬运光钟的研制使光钟迈进实际应用,除了在时间基准以及卫星导航方面的应用,也在验证洛伦兹不变性、基本物理常数是否随时间变化、引力波和暗物质探测等方面具有广泛的应用。针对可搬运钙离子光钟,设计了一套集成化激光冷却系统,利用Pound-Drever-Hall方法将钙离子光钟397nm和866nm冷却激光的频率锁定在一个超低热膨胀系数的Fabry-Perot振腔上,以获得窄线宽和低频率漂移的稳频激光。同时,实验中采用了基于FPGA的高分辨率时序控制系统,并采用“预冷和冷却”两步Doppler冷却方式更好地冷却离子。通过以上方法,将可搬运钙离子光钟的宏运动引起的二阶Doppler频移的不确定度抑制到小系数10^(-18)水平。