可搬运钙离子光钟的集成化激光冷却系统_张华青.pdf

第 21 卷第 5/6 期2022 年 12 月导航与控制NAVIGATION AND CONTROLVol.21 No.5/6Dec.2022收稿日期:2022-03-03基金项目:国家重点研发计划(编号:2017YFA0304404，2017YFA0304401，2018YFA0307500，2017YFF0212003);国家自然科学基 金(编 号:91736310，61905231，11774388，11634013);中 国 科 学 院 战 略 先 导 研 究 计 划(编 号:XDB21030100);中国科学院青年创新促进会(编号:2018364，Y201963);湖北省杰出青年科学基金(编号:2017CFA040);王宽诚教育基金(编号:GJTD-2019-15)可搬运钙离子光钟的集成化激光冷却系统张华青1，2，3，黄垚1，2，张宝林1，2，郝艳梅1，2，3，管桦1，2，高克林1，2(1.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院波谱与原子分子物理国家重点实验室，武汉 430071;2.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院中国科学院原子频标重点实验室，武汉 430071;3.中国科学院大学，北京 101408)摘 要: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(133Cs)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 1018水平。关键词:可搬运钙离子光钟;宏运动;激光稳频;高分辨率时序控制中图分类号:O439/O59文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)06-02080doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.019Integrated Laser Cooling System for Transportable40Ca+Ion Optical ClockZHANG Hua-qing1，2，3，HUANG Yao1，2，ZHANG Bao-lin1，2，HAO Yan-mei1，2，3，GUAN Hua1，2，GAO Ke-lin1，2(1.State Key Laboratory of Magnetic esonance and Atomic and Molecular Physics，Innovation Academyfor Precision Measurement Science and Technology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071;2.Key Laboratory of Atomic Frequency Standards，Innovation Academy for Precision MeasurementScience and Technology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071;3.University of Chinese Academy of Science，Beijing 101408)导航与控制2022 年第 5/6 期Abstract:The“second”is the most accurate unit in the international system of units(SI)and is defined on the mi-crowave transition of cesium atom(133Cs)fountain clock.Optical clocks with quantum transition frequencies at higher opticalfrequencies are theoretically 4 orders of magnitude more accurate than microwave clocks，so it may become the future defi-nition of the international“second”The transportable optical clocks have led to more and more practical applications.Inaddition to applications in time benchmarking and satellite navigation，it is also a new means to verify Lorentz invariance，fundamental physical constants change with time，gravitational waves and dark matter detection.In this paper，an integrat-ed laser cooling system for transportable40Ca+ion optical clock is designed.The frequency of 397nm and 866nm coolinglaser is locked in a Fabrie-Perot resonator with ultra-low thermal expansion coefficient(ULE)by Pound-Drever-Hall methodto obtain a frequency stabilized laser with narrow linewidth and low frequency shift.At the same time，a high time resolu-tion timing control system based on FPGA is used in the experiment，and the two steps of“pre-cooling and cooling”meth-ods are used to better cool the ion.The uncertainty of the second order Doppler shift caused by the transportable40Ca+ionoptical clock secular motion is reduced to the fractional 1018level.Key words:transportable40Ca+optical clock;secular motion;laser stabilization;high time resolution timing control0引言近 20 年来，凭借 1015Hz 的超高钟跃迁频率，光钟已经比性能最好的铯原子喷泉钟(系统不确定度小系数1016水平1)高了2 个数量级2-6。光钟在未来很有可能参与国际单位制一级“秒”定义的重新制定7。此外，光钟还在精密测量领域有着重要的应用:基本物理学常数测量8-9、引力波和暗物质探测10-14、测地学11，15-18等。可搬运光钟的成功研制是光钟走向实际应用的一个里程碑，集成化的可搬运激光稳频系统是可搬运光钟的一个重要组成部分，越来越多的国内外研究小组开始研制集成化、高性能的可搬运激光稳频系统19-23。囚禁在离子阱中的离子做三维简谐振子运动，进一步可分为两种:微运动(Micromotion)和宏运动(Secular Motion)，这些运动会对原子频率跃迁造成Doppler 频移和 Stark 频移。通过激光冷却离子将离子的运动范围限制在钟跃迁波长范围内，就可以大大降低甚至消除一阶 Doppler 效应，这个区域叫做 Lamb-Dicke 区域24。对于40Ca+，射频囚禁场引起的标量 Stark 频移和微运动引起的二阶 Doppler频移可以在魔幻射频囚禁频率下相互抵消25-26，故需要重点考虑的运动效应是由宏运动引起的二阶Doppler 频移。通过激光冷却降低离子的温度，可以有效降低二阶 Doppler 频移。离子温度主要由离子阱加热率、冷却方式、冷却能级的自然线宽决定。离子阱加热率取决于离子阱的结构是否对称和是否有杂散电荷积累。理想情况下，离子被囚禁在结构对称的离子阱产生的电四极势的鞍点，由于离子阱电极不对称会使囚禁射频场相位不同，把离子推离鞍点，从而使离子受到射频场加热，同时离子阱电极和绝缘电极上的杂散电荷也会使离子偏离鞍点(可以在离子阱补偿电极上施加补偿电压抵消杂散电荷产生的影响)。对于单离子光钟而言，通过选择特定能级进行 Doppler 冷却就可以将离子温度冷却到毫开尔文(mK)量级，宏运动引起的二阶 Doppler 不确定度可以达到1018量级。若要继续降低温度至微开尔文(K)量级，就需要额外的钟激光和时序进行三维边带冷却27。对于可搬运钙离子光钟而言，毫开尔文(mK)量级的离子温度不是影响光钟系统不确定度进 1018量级的主要因素。边带冷却对于研制系统不确定度 1019量级的钙离子光钟或者需要足够的保真度进行量子态传递的铝离子光钟而言，是有必要的。本文主要内容是设计了一套用于钙离子光钟 Doppler 冷却的集成化稳频系统，以获得窄线宽、低漂移率的稳频激光。同时，对钙离子光钟的电路控制系统进行集成化，利用基于 FPGA 的高分辨率时序控制系统减少时序的死时间，采用“预冷却-冷却”的两步冷却方式，降低了离子的温度以及不确定度。最终，钙离子宏运动引起的二阶 Doppler 不确定度达到了小系数 1018水平。1可搬运钙离子光钟图 1 所示的可搬运钙离子光钟是对实验室现有012第 5/6 期张华青等:可搬运钙离子光钟的集成化激光冷却系统的一套钙离子光钟进行模块化设计和改造而来的，这套光钟在实验室进行过两套钙离子光钟的频率比对，不确定度为5.5 1017 28，并且测量了钙离子光钟的魔幻射频囚禁频率，降低了微运动造成的频移26。随着伺服误差的进一步改进，光钟系统不确定度降低到2.2 1017 26。该光钟模块化改造完毕后搬入一个方舱中，研制出能在室外稳定运行的可搬运钙离子光钟(图 1)。在室外与地下实验室的钙离子光钟进行了频率比对实验和高程差测量29，验证了可搬运光钟在室外稳定运行的可靠性。方舱内部分为两个房间，一间是实验间(Ex-perimental oom)，内 部 空 间 大 小 为 3.05m 2.30m 1.95m。其中，光钟的光学系统(图 1(c)中的)、电路控制系统(图 1(c)中的)和不间断电源(UPS)供电系统(图 1(c)中的)都安装在实验间。另一间是光钟运行状态监视的工作间，同时配备了市电输入、外部电缆和光纤的输入输出接口。图 1可搬运钙离子光钟Fig.1Diagram of transportable40Ca+ion optical clock图 2 为钙离子光钟相关能级示意图。42S1/242P1/2的跃迁为 397nm 电偶极跃迁(自然线宽为22.28MHz)是用来进行激光 Doppler 冷却和量子态荧光探测的能级。由于离子在 42P1/2态上有一定几率(约 1/17)跃迁到 32