主动光钟研究进展_潘多.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:2022-04-28基金项目:国家自然科学基金(编号:91436210);科技创新 2030 “量子通信与量子计算机”重大项目(编号:2021ZD0303200)主动光钟研究进展潘多1，刘天宇1，缪健翔1，史田田1，庄伟2，陈景标1(1.北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，北京 100871;2.中国计量科学研究院，北京 100013)摘 要:光频原子钟近几十年取得了飞速进展，其频率不稳定度主要受限于本振激光的频率噪声。主动光钟是一种通过光学谐振腔的弱反馈形成多原子相干受激辐射的新型光钟，原理上可以突破光学谐振腔的热噪声极限，从而实现超窄线宽的光钟信号。综述了主动光钟的机理与优越性，并结合国内外的研究成果，介绍了基于光晶格、冷原子、热原子等体系主动光钟的技术特点和研究进展。关键词:主动光钟;受激辐射;坏腔;窄线宽中图分类号:O562.3文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)01-02125doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.018Progress of Active Optical ClockPAN Duo1，LIU Tian-yu1，MIAO Jian-xiang1，SHI Tian-tian1，ZHUANG Wei2，CHEN Jing-biao1(1.State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks，Peking University，Beijing 100871;2.National Institute of Metrology，China，Beijing 100013)Abstract:Optical frequency atomic clocks have made rapid progress in recent decades，and their frequency instabili-ty is mainly limited by the frequency noise of local oscillator laser Active optical clock is a new type of optical clock whichforms multi-atom coherent stimulated radiation through weak feedback of optical resonator In principle，it can breakthrough the thermal noise limit of optical resonator，so as to achieve ultra-narrow linewidth optical clock signal The mecha-nism and advantages of active optical clocks are summarized in this paper Combined with the research results at home andabroad，the technical characteristics and research progress of active optical clocks based on optical lattices，cold atoms andhot atoms are introducedKey words:active optical clock;stimulated emission;bad cavity;narrow linewidth0引言随着光钟稳定度和准确度不断提高，例如锶(Sr)原子、汞(Hg)离子、锶离子、镱(Yb)离子的光钟已经作为秒的次级定义使用，光钟有潜力成为下一代频率基准钟。在光钟体系中，本振激光噪声是限制稳定度的主要因素。通过革新技术手段和应用新型材料以降低谐振腔的热噪声极限，或主动光钟等新原理实现突破谐振腔热噪声极限的超稳激光，成为光钟进一步发展的重要方向。本导航与控制2022 年第 5/6 期文将对主动光钟的机理优越性进行综述，并结合国内外的研究成果，着重介绍基于不同量子体系主动光钟的发展脉络及最新进展。1光钟发展现状及发展趋势原子钟按照工作频率可以分为微波原子钟和光频原子钟。在频率稳定性达到的水平相当时，主频更高的原子钟将具有更好的相对频率稳定度。光频原子钟的中心频率高于微波原子钟 5 个量级，因此在相对频率稳定度方面更具优势。1999 年，可以将光学频率与微波频率相互转换的飞秒频率梳研制成功1，使得光频原子钟得到发展和利用，经过 20 余年的发展，其频率稳定度也已经超越微波钟。现有的光频原子钟大多为被动型光钟，其基本原理与微波钟类似，包括量子体系、本振激光、伺服电路、频率传递等几个部分。量子体系通常采用具有窄跃迁线的中性原子或离子，同时通过激光冷却等方式抑制粒子运动导致增宽，得到超窄线宽的钟跃迁谱线。为探测钟跃迁谱线，需要采用窄线宽的本振激光，其通常由 PDH 稳频技术2将激光器锁定至超稳超窄的谐振腔上获得。随后，由本振激光探测得到钟跃迁谱线，并通过伺服系统将本振激光锁定至钟跃迁谱线，锁定后的激光频率参考至原子谱线且具有较好的频率稳定度，即可作为光学频率标准，简称做光频标，结合光梳技术即可将光频信号下转换至微波频段实现光钟系统。本文采取行业内的惯用表示方法，“光钟”实指“光频标”系统。目前，光钟的研究方向主要集中在两个方面:基于囚禁和冷却单离子的离子光钟和基于光晶格囚禁中性原子的光晶格原子光钟。19 世纪 50 年代，Paul 与 Dehmelt 电磁囚禁粒子阱3的发明标志着精密光谱探测领域的一项重大成就:在相当长囚禁时间内不受扰动的离子系统。此后，国际各研究组开展了对离子光钟的研究，如:美国国家技术标准局(NIST)4-5的 Al+和 Hg+光钟，英国国家物理实验室(NPL)6的 Sr+光钟，德国技术物理研究院(PTB)7、英国国家物理实验室(NPL)8的 Yb+光钟，德国马克思普朗克研究所(MPQ)的 In+9光 钟，以 及 中 科 院 武 汉 物 数 所(WIPM)10-11、日 本 国 家 信 息 与 通 信 研 究 院(NICT)12的 Ca+光钟。目前，不确定度性能最优的光钟为美国国家技术标准局(NIST)研制的 Al+光钟，系统不确定度达 9.4 1019 4。在单离子光频标中，由于囚禁离子数少，光钟稳定度受量子投影噪声限制，因此需要极长的积分时间才能实现10181019量级的频率不确定度。随着激光冷却与囚禁技术的发展，大量中性原子可以被囚禁在较小体积内，使量子投影噪声显著减小。在实现较长囚禁时间的同时，魔术波长光晶格13-15囚禁方案可以避免晶格光场带来的光频移和原子间相互作用导致的频移，从而提高光频标的稳定度与准确度。因此，基于魔术波长光晶格囚禁的中性原子系统成为光钟研究的另一个热点。Sr 原子光钟是起步较早且研究广泛的光晶格钟，法国巴黎天文台(LNE-SYTE)16、日本东京大学 Katori 研究组17、美国 JILA 研究组18-19、德国 技 术 物 理 研 究 院(PTB)20、中 国 计 量 院(NIM)21、中国科学院国家授时中心22多次对 Sr原子光晶格钟频率稳定度和不确定度进行评估。基于 Yb 原子和 Hg 原子的光晶格钟也有着较为广泛的研究，包括美国国家技术标准局(NIST)23、日本国家计量研究院(NMIJ)24、日本理化研究所(IKEN)25、韩国标准科学研究院(KISS)26、意大利国家计量研究所(INIM)27、中国华东师范大学(ECNU)28-29等均有开展 Yb 原子光钟的研究，Hg原子光钟的研究机构主要有法国巴黎天文台(LNE-SYTE)30和日本理化研究所(IKEN)31。目前，Sr 原子和 Yb 原子光晶格钟的不确定度均进入1018量级，而稳定度性能最优的为美国 JILA 研究组研制的三维光晶格费米子 Sr 光钟，稳定度达到4.8 1017/1/2 19。为了持续优化光钟的稳定度和准确度性能，本文总结了光钟乃至原子钟领域未来需解决的九个发展问题，归纳如图 1 所示。其中，通过新原理技术突破谐振腔的热噪声极限是目前比较紧迫的前沿研究方向，而主动光钟的提出则为该问题提供了一种有效的解决方案。2主动光钟的提出对于被动式光晶格钟来说，其稳定度主要受限于用于探测原子谱线的本振激光线宽。在被动002第 5/6 期潘多等:主动光钟研究进展图 1原子钟领域未来发展需解决的问题Fig.1Problems to be solved in development ofatomic clocks式光钟里，本振激光是通过 PDH 技术锁定在超稳参考谐振腔上以压窄线宽。由于谐振腔具有难以避免的布朗热噪声，限制了本振激光的线宽。而为了抑制腔体的布朗运动，超腔可采用单晶硅腔体，同时工作在极低温环境中来降低热噪声极限32-33，这又极大地增加了系统的复杂性，所以进一步压窄本振激光的线宽以提高被动型光钟的稳定度仍然面临挑战。主动光钟概念的提出34-36可以有效解决这一瓶颈问题，具体是指一种通过光学谐振腔的弱反馈在布局数反转的原子跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射的新型光钟概念。主动光钟本质上为具有量子参考的极窄线宽受激辐射光场，同时由于工作在深度坏腔模式，其频率对腔长噪声具有天然的免疫作用。在以上两种机制的共同作用下，主动光钟理论上可实现突破谐振腔热噪声极限的超窄线宽。此系统可用于被动光钟的本振激光系统，从而打破谐振腔热噪声对本振激光线宽的限制。由于输出频率本身具有原子谱线参考，这一系统也可以直接用作光学频率标准，即主动光频标或主动光钟。主动光钟具有优越的线宽和短期稳定度，因此有潜力作为光学“飞轮钟”，以实现光频测量体系短期稳定度的全面提升。主动光钟应用前景广阔，国内外十余家研究机构先后开展了相关研究。美国 JILA 研究组进行了大量基于光晶格体系的主动光钟实验探索，同时对热原子束型主动光钟做出理论推导。2020 年，欧盟开展了集成量子钟(iqClock)计划，阿姆斯特丹大学、哥本哈根大学、伯明翰大学、托伦哥白尼大学、维也纳大学、因斯布鲁克大学等六个研究组及六家公司参与，计划包括开展主动光钟的研究，目标在五年内实现百毫赫兹(mHz)量级、十年内实现毫赫兹(mHz)量级的钟信号输出。2021 年，在中国“科技创新 2030”计划“量子通信与量子计算机”重大项目的支持下，北京大学开展了基于冷原子体系主动光钟的技术研究，目标五年内实现冷原子主动光钟超辐射激光，功率大于 3W，线宽百毫赫兹(mHz)量级。3主动光钟原理与研究方案原子钟按照工作方式可以分为被动型和主动型。被动型原子钟包含一个对特定频率具有高敏感度的器件如微观原子体系，随后将本地振荡器通过闭合的伺服环路锁定在该器件的共振频率上，由于此频率已知且稳定，锁定后的频率可用作频率标准。主动型原子钟则采用激发态的原子振荡器来直接产生确定频率的信号，频率值取决于原子自身的性质。由于部分原子的辐射信号激发了其余原子的受激辐射，出射信号具有强相干性。在微波频段，氢(H)钟为主动型原子钟，相比于铷(b)钟、铯(Cs)钟等被动型微波原子钟，氢钟具有更优异的短期稳定度。在光频波段，传统的光晶格钟、离子光钟等均属于被动型，而主动光钟工作在主动模式，图 2 描述了主动型光钟的基本思想，并与传统好腔激光的原理进行对比。在激光形成的过程中，增益介质的受激辐射光场相位相干性由谐振腔内光场决定。对于传统的好腔激光，由于谐振腔的腔模线宽远小于增益介质的增益线宽，因此腔内光场主要受到谐振腔的调控，且光场相位起伏与谐振腔的腔模热噪声保持一致。腔内光场的相位相干性