精密機械研究所--汞原子光晶格鐘小組

  小組的目標是研制一種基于光晶格中的超冷汞原子的光頻躍遷新型原子鐘。汞原子和其他光晶格鐘（鈣原子、鍶原子、鐿原子）類似，具有非常窄的光頻躍遷線寬（1S0→3P0躍遷，265.6nm，線寬100mHz）。汞原子有豐富的同位素（6個穩定同位素）。汞原子的優勢在于其對環境的敏感度（黑體輻射頻移）相比其他原子要小10倍以上。我們對汞原子可以進行激光冷卻和捕獲，并繼而裝載到光晶格中。光晶格的強束縛可以消除原子運動的影響。汞原子光晶格鐘的另一個特殊性是要采用幾種新穎的紫外激光光源（激光冷卻波長為254nm，鐘頻躍遷波長為266nm，魔術波長光晶格波長為363nm）。

  小組的最終目的是發展一種高精度的原子鐘，其準確度可達到10-18水平。通過光學頻率梳和其他原子鐘進行比對，重新進行秒定義，并進行基本物理定律（如等效原理）的新型測量，從而對引力、強弱相互作用等理論做出實驗驗證，對精細結構常數是否隨時間改變進行測量。高精度原子鐘還可以用在基于引力紅移（Einstein效應）的地球引力場測量上。

研究進展

  汞原子光晶格鐘小組從2010年開始開展超冷汞原子方面的研究工作。已經建立了一套汞原子激光冷卻的實驗裝置（圖1），解決了超冷汞源、超高真空腔、汞原子光譜、紫外激光器穩頻等關鍵技術難題，穩定獲得了超冷汞原子,探測到了鐘頻躍遷譜線。另一方面，完成了大功率紫外激光器的研發，應用室溫下的特殊波長光纖激光放大技術和高效率倍頻技術，獲得了1.4 W的紫外激光輸出，并實現了較高的系統穩定性；完善了紫外鐘頻激光器系統方案，建立了1062.5nm超穩激光系統，并實現了超穩激光的PDH鎖定，通過光纖激光放大和兩級倍頻，得到10.6mW鐘頻激光，并應用該激光在冷原子上測量了鐘頻躍遷光譜。

汞原子真空系統和制冷汞源

1.汞原子激光冷卻

  由于原有的紫外冷卻光功率有限（10mW），我們采用單束折疊光路的方案(圖2)，這不僅大大降低了所需要的冷卻光功率，也提高了系統的穩定性。我們還進行了多種汞原子的光譜研究，用于將冷卻激光穩定到原子的躍遷譜線上。2012年我們（國內）第一次觀測到了超冷汞原子信號。在實現了紫外激光的穩頻后，觀測到冷原子所有的同位素，獲得了106量級的原子數，并通過飛行時間法測量了冷原子的溫度，對199Hg原子為50μK。

單束折疊光路與2012年首次觀測到超冷汞原子信號

  超冷汞原子同位素與飛行時間法測量冷原子溫度   　

2.大功率紫外冷卻激光系統研制（253.7 nm）

  為了提高汞原子捕獲效率，降低冷卻時間，小組研發了一套大功率（>100mW）、窄線寬（<100kHz）、可調諧冷卻激光系統（圖4）。種子光為自制外腔反饋半導體激光器，通過光纖放大可得到最大7W的基頻光輸出，然后進行兩次倍頻。在此過程中，我們與上海光機所馮衍小組合作，發展了1014.8nm室溫運行的光纖激光放大器，該方法已經被國際上多個小組采用，大大提高了冷卻激光器的穩定性。自制的1014.8nm半導體激光器經過FP腔穩頻和壓窄線寬，輸出功率為50mW，線寬為23kHz。兩級倍頻均采用環形折疊腔系統，第一級倍頻晶體為LBO晶體，在6.3W基頻光輸入時可以得到4.1W的二倍頻激光；第二級倍頻晶體為BBO晶體，最大可以得到1.4W的紫外激光輸出。              

3.超穩超窄線寬紫外鐘頻激光系統研制（265.6nm）鐘頻探測需要超窄線寬和超高穩定度的紫外激光。首先將一個1062.5nm的光纖激光器通過PDH穩頻鎖定在一個ULE超穩腔上（精細度約為46萬），實現亞赫茲線寬超穩激光，通過光纖激光放大器放大到2W以上，單次通過PPLN晶體倍頻至531.2nm，再通過一個BBO晶體腔倍頻獲得3.7 mW的265.6nm紫外超穩激光，可用于鐘頻躍遷的探測。1062.5nm超穩激光通過光纖噪聲消除方法，傳遞到光學頻率梳系統，進行絕對光頻的測量。

超穩鐘頻激光系統結構示意圖，超穩腔及其隔熱真空系統、PPLN晶體及溫控和531 nm-265.5 nm倍頻腔實物圖 

4.冷原子中鐘頻躍遷信號的探測

  實驗上利用時序程序控制紫外冷卻光和鐘頻光的開關，同時掃描鐘頻激光的頻率，獲得冷原子中的鐘頻躍遷譜線。圖6中紅線為無冷卻光時的鐘頻躍遷譜線，譜線的半高全寬570 kHz，對應原子團溫度100 μK。藍線為有冷卻光時的鐘頻躍遷譜線。通過比較兩條譜線的中心位置，可以測量獲得冷卻光引起的光頻移約為296 kHz。

冷原子中的鐘頻躍遷譜線 

5.魔術波長光晶格激光系統研制（362.57 nm）

  汞原子的魔術波長光晶格激光波長為362.57nm，需要將725.14nm大功率窄線寬激光倍頻獲得200mW以上的激光輸出。我們采用注入鎖定鈦寶石激光技術，將窄線寬的725nm半導體激光注入鈦寶石腔，經過PDH穩頻后，獲得瓦級725nm激光輸出，再通過一個LBO晶體倍頻腔倍頻獲得362.57nm激光。  

鈦寶石晶體及熱沉與注入鎖定鈦寶石激光系統 　　 　　

汞原子光晶格鐘的原理和結構

  汞原子光晶格鐘的原理如圖5所示,將囚禁在一維光晶格中的超冷汞原子的鐘頻躍遷（199Hg原子的1S0→3P0躍遷，自然線寬100mHz）作為參考，用一個高穩定度的光學本地振蕩器（超穩激光，穩定在超穩參考腔上）探測獲得鑒頻信號，通過反饋控制來鎖定光學本地振蕩器，通過光學頻率梳測量鑒頻信號，并將鎖定后的光頻信號轉換為可輸出的微波信號。

  光鐘的運行原理與汞原子光鐘相關的能級結構 　　　

  汞原子光晶格鐘的總體結構包括物理系統、冷卻激光系統、鐘頻激光系統、光晶格激光系統、抽運激光系統和光學頻率傳遞測量控制系統等，如圖7所示。其中物理系統為原子介質的制備和探測環境，光晶格裝載的原子數達到1000個，裝載周期約1秒。冷卻激光系統用于產生汞原子激光冷卻的紫外激光，同時也用于探測基態原子數，波長為253.7nm（1S0→3P1躍遷）。鐘頻激光系統用于鐘頻探測的超穩紫外激光，波長為265.6nm（1S0→3P0躍遷）。光晶格激光系統用于產生魔術波長光晶格激光，波長在362.57nm附近。光抽運激光系統用于鐘頻探測中的躍遷幾率歸一化，將處于激發態（3P0）的原子抽運到基態（1S0），以探測激發態的布居數，需用三臺激光，波長分別為405nm（3S1→3P0躍遷）、546nm（3S1→3P2躍遷）和435nm（3S1→3P1躍遷）。光學頻率傳遞測量控制系統用于超穩激光信號的光纖傳遞、測量和控制，消除光纖傳遞中附加噪聲，用光纖光學頻率梳測量超穩激光的頻率，由原子的鑒頻信號反饋控制鐘頻激光的頻率。