可搬运光钟研究进展及展望.pdf
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1、计 测 技 术综合评述可搬运光钟研究进展及展望潘多,刘天宇,陈景标(北京大学 电子学院,北京 100871)摘 要:将可搬运光钟划分为高精度可搬运光钟、便携式可搬运光钟以及均衡性可搬运光钟三类,分别介绍了三类可搬运光钟的工作原理及国内外研究进展,并从稳定度、不确定度、系统集成度等角度分析了它们的性能优势和发展局限性。在此基础上,展望了可搬运光钟在机动守时授时、测地学、空间探测、微型定位等场景中的应用前景,并提出应通过降低核心激光部件的环境敏感性、提高激光部件与真空系统的稳健性等方式提升高精度可搬运光钟系统的机动性能;应结合真空技术、人工智能等手段提高便携式可搬运光钟的长期稳定性;应通过实验方案
2、的迭代进一步提升均衡性可搬运光钟的精度。关键词:精密计量;光频原子钟;可搬运性;研究进展中图分类号:TB939;O59 文献标志码:A 文章编号:1674-5795(2023)03-0043-10Research progress and prospect of transportable optical clocksPAN Duo,LIU Tianyu,CHEN Jingbiao(School of Electronics,Peking University,Beijing 100871,China)Abstract:Transportable optical clocks are divi
3、ded into three categories:highprecision transportable optical clocks,portable optical clocks,and balanced optical clocks.The working principles and research progress of these three types of transportable optical clocks are introduced,and their performance advantages and development limitations are a
4、nalyzed from the perspectives of stability,uncertainty,and system integration.On this basis,the application prospect of transportable optical clock in mobile time service,geodesy,space exploration,micro positioning and other scenarios is prospected.It is proposed that the mobile performance of the h
5、ighprecision transportable optical clock system should be improved by reducing the environmental sensitivity of the core laser components and improving the robustness of the laser components and vacuum system,the longterm stability of portable optical clocks should be improved by combining vacuum te
6、chnology,artificial intelligence and other means,and the accuracy of the balanced portable optical clock should be further improved through the iteration of experimental schemes.Key words:precision metrology;optical clocks;transportability;research progress0引言人类对时间频率概念的认知历史悠久,从茹毛饮血的日出而作日落而息,到使用日晷、水钟
7、等简易装置计量时间,至近现代机械钟、电子钟走进千家万户,其精度对于人们的日常生活而言已然足够。但科技日新月异,精密测量与前沿物理学的研究对计量工具的精度要求永无止境,当宏观频率标准无法满足高精度应用需求时,科学家们便把目光转向微观领域。原子内部电子态间发生doi:10.11823/j.issn.1674-5795.2023.03.04收稿日期:2023-03-07;修回日期:2023-04-26基金项目:国家自然科学基金(91436210)引用格式:潘多,刘天宇,陈景标.可搬运光钟研究进展及展望 J.计测技术,2023,43(3):43-52.Citation:PAN D,LIU T Y,CH
8、EN J B.Research progress and prospect of transportable optical clocks J.Metrology&Measurement Technology,2023,43(3):43-52.43综合评述2023年第43卷 第3期的量子跃迁会吸收或辐射一定能量的电磁波,其频率严格确定且只取决于原子本身的状态,不需依赖其它标准就能够实现频率的再现,为时间频率提供了一种更高级的标准原子频率标准或原子钟。世界上第一台原子钟诞生于1949年,随后20世纪50年代,基于铯原子基态超精细能级跃迁的原子钟问世,使时间的计量精度得到重大突破。铯原子钟的成功研
9、制,促进了时间单位“秒”的定义变革。1967 年国际计量大会通过审议,将“秒”定义变更为铯原子(133Cs)基态超精细跃迁振荡9192 631 770个周期所需的时间。原子钟的出现,促使人类对时间的计量及与之相关的应用领域步入了新的历史阶段。由于时间频率是目前所有物理量中能够被测量得最精准的量,在计量学中,将其它物理量(如长度、电压等)通过物理关系转化为频率后进行测量已成为重要趋势。原子钟的应用非常广泛,可基于其进行物理常数和微观粒子结构测量、爱因斯坦相对论中时间延缓效应的验证、火山监测、量子模拟、深度绘测、引力测量等;作为全球卫星导航定位系统的核心,原子钟的准确度和稳定度直接影响导航定位系统
10、的定位精度;空间原子钟的发展推动了卫星轨道精确控制、深太空导航以及航天器对接等技术的进步。本文根据工作特点不同对可搬运光钟进行分类,之后具体阐述各类可搬运光钟的性能优缺点以及研究现状,并对可搬运光钟未来的应用场景和发展方向进行展望。1国内外可搬运光钟研究进展近二十年来,光频原子钟飞速发展,其不确定度已经领先微波原子钟2个量级以上。然而,受限于系统的复杂和体积的庞大,可搬运光钟尚未实现实际工程中的应用。近年来,以欧美国家为首的科研机构逐渐开始探索光钟应用的边界。本文根据目前国内外研究机构所报道的相关资料,将可搬运光钟划分为三类:高精度可搬运光钟,即通过专门的工程设计将实验室内极为复杂的高精度原子
11、钟进行整体集成保护,并在室外环境中模拟实验室内环境,将光钟搬运至外场完成测试。基于此方式的光钟多为冷原子或离子光钟,主要应用于前沿物理研究及测量,例如验证引力红移、引力波探测、暗物质探测等。便携式可搬运光钟,即基于光钟相较微波钟在频率稳定度指标方面的优势,由新方法、新技术和新设计所引导的小型光钟。该类可搬运光钟具有体积小、功耗低等特点,最终可替代现有的小型微波钟。均衡性可搬运光钟,该类可搬运光钟性能及体积均介于前两者之间,既保留相对较高的稳定度,同时具有较好的机动性能,其对标产品类似于如今的商用氢钟。1.1高精度可搬运光钟研究进展近年来已经有多家国内外单位对其基于高精度可搬运光钟的研究结果进行
12、了报道,所采用原子体系包括中性原子光晶格与单离子体系。德国联 邦 物 理 技 术 研 究 院(Physikalisch Technische Bundesanstalt,PTB)于2017年首次实现了长距离车载搬运和计量应用的可搬运锶原子光晶格钟,其内外部结构、腔体及稳定度指标如图1所示。车厢的内部尺寸为2.2 m 3 m 2.2 m,实验装置整体质量为 800 kg,系统稳定度为 1.3 10-15/1/2(为积分时间),系统不确定度为 7.4 10-171。2018年,该研究组通过此可搬运光钟实现了相距90 km两地的重力势能的测量2,但由于可搬运原子钟的可靠性问题,其测量准确度低于当前最
13、优的传统测地学方法的测量准确度。2020年,日本理化学研究所(RIkagaku KENkyusho,RIKEN)将可搬运光晶格钟置于450 m高的东京晴空塔上,并与地面光钟进行比对以测量引力红移,对广义相对论进行了验证。这项工作也证明了光钟在技术上可用于地壳形变、水准面测试等外场应用,分辨力达到厘米量级3。日本RIKEN研制的可搬运锶原子光晶格钟如图2所示。意大利佛罗伦萨大学2014年研制的基于锶原子玻色子光晶格的可搬运光钟系统,不包含电学仪器的物理部分体积小于2 m3,不确定度为 7.0 10-15 4。德国杜塞尔多夫海因里希-海涅大学(HeinrichHeineUniversitt Dss
14、eldorf,HHUD)、德国PTB、英国伯明翰大学(University of Birmingham,U.B)于2018年联合报道了同样基于锶原子玻色子光晶格的可搬运光钟,该光钟面向空间应用,光学体积小于1 m3,不确定度达到2 10-175。目前,国内已有多家单位参与高精度可搬运光钟的研制,包括中国科学院国家授时中心(Na 44计 测 技 术综合评述tional Time Service Center,NTSC)、武汉物数所(Wuhan Institute of Physics and Mathematics,WIPM)等。中国科学院国家授时中心于2020年在地面锶原子光钟的基础上完成了可
15、搬运87Sr光晶格钟的闭环工作,其真空系统尺寸为90 cm 20 cm 42 cm,除电学设备外整体体积为0.65 m3,分时自比对测量的频率稳定度为3.2 10-15/1/2,系统不确定度为2.3 10-166-8。中国中科院武汉物数所于 2016年报道了两台独立钙离子光钟的评估结果,相对不确定度达到5.5 10-17,主要受限于离子微运动造成的频移9。2019年,该团队精确测量并应用了钙离子光钟的“魔幻”射频驱动频率,将微运动所导致的不确定度降至1 10-18以下,此时系统总不确定度为2.2 10-17,受限于黑体辐射频移10。在该项目组2020年的报道中,钙离子光钟系统的稳定度优化至 4
16、 10-15/1/2,系统不确定度达到1.3 10-1711-12。在此基础上,该研究组构建了可搬运的钙离子光钟,因受限于黑体辐射频移,系统不确定度为1.3 10-17,20天内正常运行率大于75。移动超过 1200 km 后,参考实验室光钟系统,可搬运钙离子光钟测量绝对频率的不确定度为5.6 10-16。该光钟在室外被用于测量重力势能,其测量不确定度达到0.33 m 12。中科院武汉物数所还开展了小型可搬运钙离子光钟的研究,采用多通道腔实现紧凑、简单的多波长激光稳频系统,从而降低了整个光钟的环境敏感性 13。该光钟系统可进行72 h连续闭环锁定,稳定度约为2 10-14/1/213,系统不确
17、定度为 7.8 10-1714。在最新报道中,该研究组研制了第二套模块化可搬运光钟15,系统不确定度达到 1.1 10-17,两套光钟比对得到1.2 10-14/1/2的稳定度。该光钟的光学体积为0.33 m3,运输 1200 km 后于 24 h 内恢复单离子信号,测试35天得到连续运行率高达92%,并通过卫星链路溯源至国际原子时,不确定度为 5.3 10-16。中科院武汉物数所用于重力势能测试的搬运式光钟如图3所示。搬运后的恢复时间和系统的连续运行率是衡量光钟机动性的重要指标,高精度可搬运光钟的图1德国PTB可搬运锶原子光晶格钟1Fig.1Transportable optical clo
18、ck of PTB based on Sr lattice1图2日本RIKEN可搬运锶原子光晶格钟3Fig.2Transportable optical clock of RIKEN based on Sr lattice3图3中科院武汉物数所用于重力势能测试的搬运式光钟12Fig.3Transportable optical clock for Geopotential measurement in Wuhan Institute of Materials and Statistics12 45综合评述2023年第43卷 第3期恢复时间可能为几天甚至半个月以上,随着集成化技术的日趋完善,有报
19、道显示系统连续运行率可达9215。对以上两项性能的持续优化,将极大拓展高精度可搬运光钟的应用范围。1.2便携式可搬运光钟的研究进展便携式可搬运光钟目前的研究方向集中在热原子/分子气室光钟的研究,主要包括基于碘分子及碱金属原子气室稳频的小型光钟研究。碘分子光钟主要由德国柏林洪堡大学(HumboldtUniversitat zu Berlin,HUB)研究,2017年该研究组报道了一款光学尺寸为38 cm 18 cm的小型光频碘分子光钟16;2019年,该研究组将光频标工程样机搭载于探测火箭,成功完成了空间应用实验17,系统秒级稳定度为 6 10-13,在 100 1 000 s范围内稳定度达到
20、2 10-13,但 1 000 s 后稳定度逐渐恶化。铷原子光钟研究相对广泛,美国国家标准计 量 研 究 所(National Institute of Standards and Technology,NIST)于 2020 年报道了基于铷原子778 nm双光子跃迁的小型可搬运光钟18,其光学体积约为 35 cm3,功耗为 450 mW,稳定度达 2.9 10-12/1/2,1 000 s后稳定度明显降低。柏林洪堡大学研究团队于2021年报道了基于铷原子饱和吸收谱的小型光频原子钟,并面向纳米卫星进行在轨测试,该光钟物理系统整体尺寸为 76 mm 26 mm 19.2 mm,质量73 g,功耗
21、780 mW,系统秒级稳定度为 2 10-12,并于 50 s 后明显恶化19。2023年,韩国标准与科学研究院(Korea Research Institute of Standards and Science,KRISS)和全南大学联合报道了基于调制转移谱的可搬运的小型铷原子光钟,其光学部分整体处于 91 mm 169 mm 60 mm 的小盒子内,1 s 前的短期稳定度达到了4.5 10-14/1/2,但受温度等因素的影响,1 s后稳定度开始逐渐恶化20-21。美国NIST铷原子光钟和柏林洪堡大学铷原子光钟如图4所示。在形态上,便携式光钟已经逐步从集成型向芯片型扩展,应用于微型光钟的芯片
22、型原子气室与芯片型光梳开始投入研制。美国NIST首先提出了采用硅片器件搭建芯片型光钟的重要概念,并于2018 2019年间采用波导结构、微型原子气室和微腔光梳搭建铷原子双光子光钟,微波信号稳定度为4.4 10-12/1/2,持续下降至1 000 s。其中原子气室直径3 mm左右,光梳应用直径亚毫米量级的微谐振腔搭建而成22-24。受限于芯片光梳倍频程的实现、荧光收集结构的集成、集成电路精度等因素,全芯片化的光钟系统至今尚无报道。美国NIST微型光钟系统如图5所示。便携式光钟的研究在国内的相关报道较少,以北京大学最具代表。2017年,北京大学实现了自评估稳定度为1.2 10-14/1/2的基于调
23、制转移谱的420 nm小型铷原子光频标,系统光学总体积小于0.05 m325。2022年,北京大学报道了基于调制转移谱技术的便携式光钟最新研究成果26,实现了两套拍频测量稳定度为2.1 10-13/1/2的基于459 nm激光的小型光频铯原子钟,如图6所示,锁定后激光线宽由 69.6 kHz压窄至 10.3 kHz。在芯片型光钟方面,国内还没有相关的研究成果报道。总体来讲,基于热原子气室的便携式光钟短期稳定度多处于10-13 10-14水平,同时最大的局限在于长期稳定度无法保证,其根本原因是热原子气室中存在难以避免的多普勒频移、碰撞频移等,会使得原子跃迁频率受到外界环境中温度、压强等因素的影响
24、而发生漂移。同时,受限于较小的整机尺寸,激光参数波动、磁场波动等因素也将影响光钟性能。图4微小型铷原子光钟Fig.4Miniature Rb optical clock 46计 测 技 术综合评述1.3均衡性可搬运光钟研究进展如上所述,高精度可搬运光钟的稳定度较高,但机动性相对较差,便携式可搬运光钟机动性能和稳定度性能相互制约,在实际的应用中需要进行一定的取舍。均衡性可搬运光钟的稳定度性能和机动性能均介于二者之间。虽未有明确的文章或观点指出,但类比于微波钟的发展趋势,均衡性可搬运光钟应基于热原子束体系。目前关于原子束型光钟的研究集中在钙原子束光钟上,德国PTB于1999年率先实现了不确定度1.
25、3 10-12,秒级稳定度为9 10-13的小型化钙原子束光钟,其频率稳定度持续下降至1 000 s并达到8 10-14,指标受限于光谱信号的信噪比27。2006年,北京大学于国际上首次提出应用于热原子束的能级转移探测方案28,该方案可极大地提高光谱信号的信噪比,从而显著提高小型热原子束光钟的性能指标,成为此后热原子束光钟的关键技术之一。2010年,西澳大学(University of Western Australia,UWA)采用能级转移探测技术,应用423 nm激光探测钟跃迁谱线信号,秒级稳定度达到9.2 10-1429。2019年,美国NIST研究组基于优化的能级转移探测方案,通过对激
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