授時中心在高性能小型化相干布居囚禁原子鐘研究中獲進展

  近日，中國科學院國家授時中心張首剛和研究員云恩學帶領的原子鐘研究團隊研制出高性能小型化相干布居囚禁（CPT）原子鐘，解決了高性能CPT原子鐘難以小型化的問題。

  時間是目前測量精度最高的物理量，基于光晶格的鍶原子光鐘穩定度可達E-19量級，但其體積過于龐大而不便于攜帶。科學家發現基于CPT的量子干涉效應，能夠實現小型化和微型化原子鐘。目前的芯片級原子鐘是基于CPT原理，體積與火柴盒相當，已應用于需要精密時間信號而又對體積、功耗、重量具有嚴格限制的應用，如無人機巡航、水下資源勘探等。然而，目前實現的芯片鐘頻率穩定度僅在3E-10@1s水平，相當于運行100年累計誤差不到1秒，在需要更高精度時間信號的應用中，如深空探測、衛星導航、高速通信、火災與地下搜救、潛航器導航等，還需大幅提升其頻率穩定度。

  為提升CPT原子鐘性能，國際上在多年前就開展了高性能CPT原子鐘研究，其中，法國巴黎天文臺和貝桑松FEMTO-ST實驗室研制出性能較好的CPT原子鐘，其頻率穩定度在2E-13@1s水平（即10萬年積累誤差不到1秒）。然而，科研人員采用了較復雜的lin⊥lin CPT或push-pull CPT方案，導致了體積、功耗和重量的大幅增加，失去了CPT原子鐘最大的優勢（即體積小）。

  針對小型化與高性能的矛盾，云恩學在巴黎天文臺工作期間，就原創性地提出了高性能相干極化調制CPT原子鐘方案。回國后，他進一步提出基于直接調制窄線寬半導體激光器和圓偏振CPT作用的方案，獲得了國際一流的短期頻率穩定度結果3.6 E-13τ-1/2 (4 ~200 s)，取樣時間200秒達到1.8E-14。相關研究成果以High-performance coherent population trapping atomic clock with direct-modulation distributed Bragg reflector laser為題，發表在Metrologia上。審稿人對該研究成果給予了高度評價。

  更重要的是，應用該方案將使CPT原子鐘裝置大為簡化，可實現小型化、甚至芯片化的高性能CPT原子鐘，將為微納衛星編隊組網、近地軌道通信、微型自主定位導航授時（Micro-PNT）等系統提供重要的技術支撐。