冷镱原子光钟绝对频率测量及相关跃迁研究的进展

光学原子钟的稳定度和不确定度都已全面进入小数 10 -18 量级,是目前最精密的时间频率测量工具之一。 光学原子钟 已在精密测量和基础物理研究等尖端科研领域展现出潜力,并有望重新定义时间单位“秒”。 镱原子光钟因其独特的能级优势 而成为了目前世界上发展最成熟、研究最广泛的光钟之一。 镱原子钟跃迁的绝对频率测量和镱原子相关跃迁光谱的精密测量 具有重要意义。 综述了冷镱原子光钟的钟跃迁 6s 21 S0 -6s6p 3 P0 能级绝对频率测量的国内外进展,并介绍以 7. 3×10 -16 的不确定 度测量镱原子钟跃迁绝对频率的实验,测量值为 518 295 836 590 863. 30±0. 38 Hz。 综述了利用已完成绝对频率测量的镱原子 光钟为基准,对镱原子的 649,770 和 1 389 nm 抽运光的对应跃迁绝对频率进行精密测量的结果。     

基于Vondark-Cepek滤波的氢铯时间尺度融合方法研究

氢原子钟和铯原子钟是当前国际原子时和各国标准时间产生的主要精密频率源,二者分别拥有优良的短期和长期稳定度特性。充分利用氢钟短稳和铯钟长稳进行时间保持成为时间产生过程中的一项关键技术。以提高时间尺度的长短期稳定性为目标,提出了Vondark-Cepek组合滤波的氢铯融合时间产生方法。首先利用AT1算法分别对氢钟组和铯钟组各产生一个钟组时间尺度,然后根据最小二乘原则对Vondark-Cepek组合滤波关键参数进行选取,进而通过氢钟组时间尺度时间序列的差分信息对铯钟组时间尺度进行性能增强,从而获得氢铯融合时间尺度。计算结果表明:该时间尺度1 h稳定度为3. 36×10-15,15 d稳定度为3×10-15,均优于氢铯单个时间尺度相同平均时间上的性能指标。     

NIM5 驾驭氢钟守时能力分析

时间频率量值源头的独立自主是建设我国综合 PNT 体系的重要基础。 为进一步评估基于我国国家秒长基准的原子时 标守时能力,利用改进的有限脉冲响应钟差预测与频率调控方法,对激光冷却铯原子喷泉钟与氢钟的频差实测数据进行后处 理,分别产生了自主型时标和溯源型时标。 通过国际原子时合作链路将两个时标与协调世界时进行了长期比对实验,结果表 明:2021 年 12 月~2022 年 12 月期间,两个时标的时间偏差均优于±4 ns、频率稳定度均优于 8×10 -16 / 5 d。     

基于腔内原位探测的空间冷原子微波钟

原子钟作为目前最精密的计时仪器,在国民经济和国家安全各领域发挥着重要作用。 在地球轨道卫星上运行高精度原 子钟,可以在地球大范围内开展高精度时间同步与比对。 不同于以往通过抛射冷原子团两次经过微波腔实现 Ramsey 微波作用 的空间冷原子钟,提出了一种新型的基于腔内原位探测的空间冷原子微波钟方案,在同一微波谐振腔内先后完成铷 87 原子的 激光冷却、原子微波相互作用、冷原子探测等过程。 该方案可以更好的利用微重力环境提高钟周期中原子与微波相互作用时间 的占空比,从而有效减小 Dick 效应对原子钟性能的影响。 介绍了冷原子微波钟系统设计与工作原理,给出了微重力环境下性 能分析和预期指标,最后展示了冷原子微波钟地面测试中获得的大约为 1. 35×10 -12 τ -1/ 2 的频率稳定度,初步展示了新型空间冷 原子钟方案的可行性。     

氢原子钟的设计改进与性能

氢原子钟是至今为止除极短时间测量间隔之外最稳定的频率标准,由于环境温度的变化及谐振腔老化而引起谐振腔频率的变化,导致氢原子钟长期性能降低.为了减小这些影响需借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上,改善氢原子钟的长期性能,日稳定度可达到1.0×10-14.这篇文章描述了上海天文台研制的氢原子钟的技术改造与性能.     

长期稳定度 2. 6×10 -16 的工程化高可靠铷原子喷泉钟

随着喷泉钟运行可靠性的提升和激光技术的日趋成熟,喷泉钟不仅可以作为基准钟驾驭原子时标,提升原子时标的长 期稳定度和准确度指标,还可以紧驾驭氢钟作为复合守时钟使用。 铷原子的基态超精细能级跃迁作为次级秒定义,具有碰撞截 面小,冷却激光运行可靠性高的优势,更加适合工程化。 中国计量科学研究院研制的工程化铷原子喷泉钟采用双金属微波真空 一体腔提升系统温度适应性,采用小型化光学系统和笼式结构探测光系统提升了运行可靠性,实现了铷喷泉钟长期准连续运 行,年运行率达到 97. 5% 。 通过 1 年的比对测试,铷喷泉钟与 NIM5 铯喷泉钟频率比对的长期稳定度优于 3. 7×10 -16 ,单台喷泉 钟的长期频率稳定度优于 2. 6×10 -16 。     

原子钟钛泵高压电源及小电流检测电路设计

氢钟、铯钟等原子钟钛泵维持贮存泡、铯束管超高真空度,需要3 000、3 500 V高压电源供电,并检测高压电源供电电流以判断工作状态。采用Buck电流馈电推挽拓扑结合Cockcroft-Walton倍压整流电路,研制了钛泵高压电源。给出了3种Buck电流馈电电路的缓冲电路、基于D触发器的两路50%占空比的交错驱动电路和输出小电流检测电路;高压电源采用了真空灌封工艺、单面表贴化PCB设计和高压舱、低压舱两舱结构设计;此设计降低了整流管的应力,实现了0.5%的负载调整率、20~50 V宽输入电压范围、0~18μA电流检测,并通过了低气压放电试验,满足了原子钟钛泵的要求。     

多台原子钟性能在线监测方法研究

时频基准驱动的系统要求提供频率相位连续的时频信号,这对时频信号产生系统的可靠性提出要求,目前,冗余备份是提高设备可靠性的主要手段,可靠的时频信号产生系统通常由主备多台原子钟、在线监测设备、钟组合算法和控制设备组成,以原子钟的性能监测结果为基础,通过实施组合算法计算频率或相位调整量,驾驭各钟输出的时频信号.如何获得最优性能的时频信号,在线监测设备准确、实时评估原子钟性能是关键.在分析原子钟关键指标的基础上,提出了多台原子钟频率、相位性能并行比较的数字测量方法,研究了使用比对结果获得相位连续、频率稳定信号的方法.最后根据该方法研制了原理样机,样机的测试结果验证该方法满足铯或氢原子钟等高性能原子钟组在线实时监测需求,其中测试10 MHz信号源阿伦方差表征的设备本底噪声为3.4E-14/s,达到了世界先进水平.     

锶原子光钟闭环控制系统的设计与实现

为了实现~(87)Sr原子光钟的闭环运行,根据将超稳激光频率锁定在钟跃迁超精细能级自旋极化谱双峰中间的锁频原理,设计和实现了锶原子光钟闭环控制系统。首先,详细分析了~(87)Sr原子光钟闭环运行的具体需求,包括冷原子制备及钟跃迁探测、闭环锁定等阶段中所需要的控制信号及其时序;然后,根据该需求设计了时序控制和频率控制的物理系统;最后,利用LabVIEW虚拟仪器开发平台和NI硬件系统设计了~(87)Sr原子光钟的闭环运行的自动化控制程序。实验结果显示,采样时间为3 000 s的光钟频率稳定度为5.7×10~(-17),拟合得到的环内稳定度为5×10~(-15)/τ~(1/2),表明该控制系统的精度符合锶原子光钟的闭环运行要求。     

基于 PPP 和共视技术的改进 PPP 时间频率传递方法

PPP 时间频率传递技术是高精度 GNSS 时间频率传递技术之一,且具有精度高、范围广、低成本等特点,而共视时间频 率传递的站间差分能够消除卫星钟差和削弱电离层、对流层等路径误差,本研究结合两种方法的优点实现了一种改进 PPP 时 间传递方法。 实验选取了 5 个连接 UTC(k)和 1 个外接高精度氢原子钟的 IGS 测站,建立了零基线、短基线和长基线链路评估 该方法的时频传递性能,实验结果表明,以 IGS 最终钟差产品为时间参考,改进 PPP 时间传递精度相比 PPP 提高了 2. 55% ~ 17. 78% 。 零基线链路频率稳定度达到 2. 0×10 -17 / 600 000 s,且不切换共视星时,其短期频率稳定度优于 PPP,长期频率稳定度 与 PPP 相当;非零基线链路中各链路的改进 PPP 在时间间隔 10 000 s 以后的频率稳定度相对于 IGS 最终产品和 BIPM PPP 有 10% 左右的提升。     

NIM-Sr2 锶原子光晶格钟物理系统研究

锶原子光晶格钟在基础物理研究和时间频率精密测量领域中占有重要的地位。 中国计量科学研究院在第 1 套锶原子 光晶格钟 NIM-Sr1 的基础上,开展了进一步提升光钟性能的研究,研制出了第 2 套锶原子光晶格钟 NIM-Sr2。 NIM-Sr2 的物理系 统在量子参考体系制备、钟激光探寻及系统频移评估等方面进行了重新设计。 在原子炉和磁光阱之间新增真空差分结构,使原 子炉的运行对磁光阱区域真空压力的影响降低到 1×10 -8 Pa;将塞曼减速器中的通电线圈替换为永磁铁,优化了水冷反亥姆霍 兹线圈的缠绕方式,并向外延伸塞曼减速器通光窗口,把磁光阱区域环境温度的不均匀性降低到了 0. 166 K。 系统频移评估表 明,这些物理系统的改进显著减小了 NIM-Sr2 的系统频移不确定度,达到了 7. 2×10 -18 。     

锶原子光钟钟跃迁谱线探测中的程序控制

为了实现中国科学院国家授时中心研制的锶原子光晶格钟钟跃迁的自动化探测,设计了完整的自动控制系统。该系统主要由延迟精度与同步精度在μs量级的时序控制系统和满足要求的激光频率扫描系统组成。两个控制系统均通过LabVIEW软件编程及虚拟仪器控制光场和磁场。完成了锶原子的两级冷却和光晶格囚禁,最终得到了高信噪比载波线宽为180Hz的锶原子1S0-3P0钟跃迁谱线。谱线展现了高信噪比和窄线宽的特点,表明整个锶原子光钟系统的运行较为稳健,整个控制系统满足实验对于控制精度的需求,实现了锶原子光钟系统的自动化操作与控制。该控制系统具有一定普适性,也可拓展至需要对光场及磁场进行控制的其他系统中。     

A noise-immune cesium magnetometer

A high-sensitivity (～1 fT at a 100-s measurement time) self-generating magnetometer based on the optical orientation of cesium atoms and intended for measurements of absolute values of weak (～2 × 10^?6 T) magnetic fields is described. Its distinctive feature is the complete optical isolation of the magnetic sensor from the electronic units, allowing one to perform magnetic measurements under conditions of high electromagnetic noise. It is proposed that the magnetometer be used as part of the multichannel system for stabilizing the neutron magnetic resonance in the search for the electrical dipole moment of a neutron.     

冷原子光栅磁光阱的研制及 CPT 信号的探询

相干布居囚禁原子钟在小型化方面具备不可替代的优势。 由于热原子气室内部高压缓冲气体的限制,导致其频率稳定 度仍有进一步提升的空间。 利用激光冷却原子技术作为替代,可以有效提升其中长期性能。 然而,目前的冷原子物理系统仍然 相对复杂,不利于原子钟整体系统的集成化和小型化。 我们研制了高衍射效率光栅芯片、平面磁阱芯片以及微小型真空腔室, 共同构建基于平面核心器件的磁光阱,利用单光束捕获冷原子 2×10 6 个。 此外,为了简化 CPT 冷原子钟的激光系统,通过单激 光结合时分复用系统的方式,仅用单一 Rb D2 线激光实现了原子冷却与 CPT 探询。 以上的工作为将来实现微小型化高性能冷 原子 CPT 钟的最终锁定和性能评估奠定了重要理论和技术基础。     

光泵甲酸分子远红外激光研究

用波长为10.6μm的连续CO2激光对HCOOH分子进行泵浦产生了743μm的远红外激光。对泵浦源的设计进行了理论分析和实验研究。测定了远红外激光的输出功率、偏振方向和泵浦效率,且输出为高斯光束,输出功率为7.3mW,泵浦效率为3.6×10-4,并对远红外激光输出的稳定性及泵浦效率进行了分析。     

Weak absorption test and defect analysis of optical coatings

1Introduction Inmodernoptics,especiallylasertechnolo gy,absorptionisoneofthemostimportant characterswhichmustbeconsidered,notonly foropticalproperties,butalsoforlaser induced damagethreshold(LIDT).Forexample,ab sorptiondefecthasplayedagreatroleinfluen cinglaserinduceddamagebehaviorsofthedie lectricopticalcoatings.Inmanyapplications,veryweakabsorption,1×10-6orless,should bemeasuredandcontrolled.However,thesensitivityofthebestregular spectrometerisonlylowto0.1%.Solutionshad beenfoundtoresolve…     

A new confocal scanning beam laser MACROscope using a telecentric,f-theta laser scan lens

A new confocal scanning beam system (MACROscope) that images very large-area specimens is described. The MACROscope uses a telecentric, f-theta laser scan lens as an objective lens to image specimens as large as 7·5 cm × 7·5 cm in 5 s. The lateral resolution of the MACROscope is 5 μm and the axial resolution is 200 μm. When combined with a confocal microscope, a new hybrid imaging system is produced that uses the advantages of small-area, high-speed, high-resolution microscopy (0·2 μm lateral and 0·4 μm axial resolution) with the large-area, high-speed, good-resolution imaging of the MACROscope. The advantages of the microscope/MACROscope are illustrated in applications which include reflected-light confocal images of biological specimens, DNA sequencing gels, latent fingerprints and photoluminescence imaging of porous silicon.