NIM4#激光冷却-铯原子喷泉钟——新一代国家时间频率基准

　　1　时间频率基准──实验室型铯原子钟

　　由于时间频率基准关系国家核心利益,自1967年采用铯原子跃迁定义原子秒以来[1],发达国家计量研究部门持续不断地投入人力、物力研制实验室型铯原子钟作为时间频率基准复现秒定义。实验室型铯原子钟经历了磁选态、光抽运两代热铯束原子钟,1995年法国计量局时间频率研究所(LPTF) Clairon小组首次报导了激光冷却-铯冷原子喷泉钟[2]。冷原子喷泉钟从原理上克服了传统铯束钟的几项重要误差源,同时也有利于改善其余系统频率偏移评定的不确定度,从而将时间频率基准的不确定度提高到一个新水平。

　　中国计量科学研究院(NIM)于2003年研制成功NIM4#激光冷却-铯原子喷泉钟,并已发表了一系列文章描述NIM4#钟的设计、各部分作用和运行[3~5]。本文介绍NIM4#钟的喷泉实验、频率锁定和对主要技术指标的实验研究,并给以初步讨论。

　　2　NIM4#钟的原子喷泉实验

　　NIM4#钟利用稳频到铯原子谐振的三维六束正交激光和反亥姆霍兹梯度磁场形成磁光阱(MagneticOpticalTrap)捕获约2×108个原子,在Doppler机制下冷却,形成温度约150μK的高密度冷原子云。随后,关闭磁场转换到光学黏胶(optical molasses)。时序软硬件控制上下两束激光分别失谐:向上激光蓝移至ν0+δν;向下激光红移至ν0-δν,形成行波光学粘胶。行波的移动速度为:

式中,λ为谐振波长,对铯为852 nm;δν为失谐频率。行波光学粘胶带动原子向上运动,实现原子云上抛。实施原子抛射时,要求两束竖直光平均频率严格等于水平光的频率,即

式中,ν0u和ν0d分别代表向上、向下光频率;νh表示水平光频率。上式的物理意义是行波光学粘胶作无抖动均速运动,保证原子云在抛射时不被加热,也不被打散。

　　铯原子Doppler冷却理论极限温度TD≈125μK。为了进一步冷却原子,大幅度增大激光失谐和减小光强度,在梯度冷却机制下将原子冷却到<5μK的超低温(原子热运动速度小于2 cm/s)。超冷原子云上抛-回落形成原子喷泉。表1给出NIM4#钟实现的原子喷泉实验参数。

　　上抛原子云中的绝大多数原子处在|F=4〉态。C-场线圈沿竖直方向形成均匀弱磁场,使原子能级塞曼分裂。用H1氢原子钟(俄罗斯VremyaVCH1003)作为飞轮钟。铯喷泉钟频率综合器(美国NISTRH2x)利用H1飞轮钟输出作为外参考频率,经锁相倍频,与一个数字频率综合器DDS的输出频率合成,生成高稳定高谱纯度可调谐的9192631770 Hz微波信号(图1),分别馈入选态腔和激励腔(模式TE011,Q≈5400)[5]。原子首先与选态微波场作用,实现|F=4,mF=0〉 |3,0〉跃迁,经光脉冲推除|F=4,mF≠0〉态原子,实现选态。剩余的|3,0〉原子在上抛-回落的喷泉运动中两次与激励微波场作用,完成Ramsey谐振,实现|3,0〉 |4,0〉秒定义钟跃迁。