北京大学小型化光抽运热、冷铯束原子钟研究进展

陈徐宗，贺轩，袁志超，谢伟滨，陈楠，熊择正，方声伟，王青，齐向晖

(北京大学 量子电子学研究所，北京 100871)

0 引言

铯束原子钟是目前世界上最重要的守时型原子钟之一[1]。1950年，N.Ramsey[2]提出了分离振荡场技术，催生了铯束原子钟。自从诞生以来，它们广泛地应用在长期守时、导航定位以及军事和科研等领域[3]。与铷钟、氢钟等其他商业化的原子钟相比，铯束原子钟的优势在于它的长期稳定度。小型化的铯束原子钟可以分为磁选态铯束原子钟、光抽运铯束原子钟和新型冷原子铯束原子钟。国内外很多科研小组和公司都致力于小型化铯束原子钟的研究，诞生了一系列的科研成果或产品。北京大学光抽运铯束原子钟小组一直致力于发展连续式的光抽运铯束原子钟的关键技术，近些年来也取得了良好的进展。本文将回顾国内外铯束原子钟研究的方向和进展，着重介绍北京大学光抽运铯束原子钟小组的研究进展，并将这些研究成果和产品进行比较。

1 国内外铯束原子钟进展回顾

最早发展的铯束原子钟是磁选态的铯束原子钟，而直至目前市面上最成功的铯束原子钟产品是5071A，它是最经典的磁选态铯束原子钟产品，诞生于1992年，由HP公司开发。目前5071A优质管的短期稳定度为8.5×10-12/τ1/2，长期稳定度优于1×10-14[4]。

随着激光技术的发展，光抽运铯束原子钟的概念应运而生[5]。利用激光抽运制备原子态的方法，可以提升铯原子束流的有效利用率，从而提升铯束原子钟的信噪比，得到更高的稳定度，更有效的原子利用率也会提升光抽运铯束原子钟的预期寿命。2001年，美国的GPS-III光抽运铯束原子钟[6]得到了目前光抽运铯束原子钟最佳的短期稳定度1.4×10-12/τ1/2，2007年欧洲的OSCAR计划光抽运铯束原子钟[7]也得到了1.4×10-12/τ1/2的短期稳定度，持平美国的成果。在提升铯束原子钟短期稳定度方面，优化激光噪声是一个很好的途径[8]。使用ECDL(外腔半导体激光器)之后，光抽运铯束原子钟的激光噪声得以下降，短期稳定度将会得到提升。2001年GPS-III，2007年OSCAR，2002年Cs-4原子钟[9]以及2020年北京大学[10]都有实验证明了ECDL的优势。但是，在长期守时型原子钟应用场景下，相比于DFB(distributed feedback)激光器来说，ECDL可靠性和稳定性不足，原因在于难以长期维持激光频率的锁定。原理上，外腔激光器所使用的光栅的角度和位置，会受到外界环境影响等发生变化，超过反馈极限后系统无法维持入锁；技术上，外腔激光器抗干扰性能较差，受到环境变化更易失锁，并且外腔激光器的跳模点较多，在失锁之后相对难以重新定位谱线并入锁。目前能够进行长期测量获得长期稳定度的铯束原子钟使用的均为DFB半导体激光器。北京大学的BD-1024[11]磁选态-光检测原子钟是一种混合磁选态技术和激光技术的原子钟，使用了DFB半导体激光器，在短期稳定度方面达到4.1×10-12/τ1/2，5 d稳定度达到7.7×10-15。成都天奥公司的TA-1000系列光抽运铯束原子钟[12]是国内最先进的商品化光抽运铯束原子钟产品，其稳定度达到5071A优质管水平。Oscilloquartz公司[13]曾经推出过商品化的光抽运铯束原子钟OSA-3300，其稳定度指标可以达到3×10-12/τ1/2水平，长期稳定度的测试结果未知，目前在Oscilloquartz的官网上，OSA-3300也悄然下架。本文报道了北京大学光抽运铯原子钟小组所研制的小铯钟，在通过长达90 d的长期测试后，保持了3×10-12/τ1/2短期稳定度的情况下，得到了7×10-15的5 d 稳定度。

在保证铯束原子钟的长期稳定度的优势的前提下，提升铯束原子钟的短期稳定度是一个重要的探索方向。根据铯束原子钟的稳定度公式：

(1)

式(1)中，ω0表示铯束原子钟的中心频率，对应为9 192 631 770 Hz，Δω是Ramsey谱线的线宽，R是信噪比，τ是平均时间。铯束原子钟的信噪比(SNR)在现有技术下已经难以获得本质上的提高，根据稳定度公式，在铯原子钟跃迁中心频率不变的情况下，只能通过压窄Ramsey信号的线宽来实现稳定度的提升，而：

(2)

式(2)中，T是铯原子在两个微波腔之间自由演化的时间，L是两个微波腔之间的距离，v是铯原子束的飞行速度。对于小型化铯束原子钟来说，受限于仪器体积，现有的铯束管无法大幅度加长，所以目前唯一可行的方式就是降低铯原子束流飞行的速度，从而延长分离振荡场技术中自由演化的时间。瑞士小组FOCS-2[14]率先提出并实现了连续式的冷铯束喷泉原子钟，得到了6×10-14/τ1/2的结果，法国PHARAO小组[15]研制了空间冷铯束原子钟，地面实验得到了3×10-13/τ1/2的运行结果，在轨估计1.1×10-13/τ1/2。中国科学院上海光机所[16]实验验证了冷原子铷束空间原子钟可达到3×10-13/τ1/2的在轨频率稳定度。这些科研成果一定程度上证明了冷铯原子钟的可行性。同时，激光冷却原子的2D-MOT(二维磁光阱)技术在逐步成熟和小型化，这将使得小型化的冷铯束原子钟的实现成为可能。

2 北京大学光抽运铯束原子钟进展

北京大学光抽运铯束原子钟小组从20世纪90年代开始就致力于发展光抽运铯束原子钟关键技术。近年来在传统的热铯束原子钟研究方面取得了突破性的进展，同时在冷铯束原子钟研究方面进行摸索，开展了一系列的实验，目前取得了阶段性的成果。

2.1 热铯束原子钟研究进展

图1介绍了北京大学光抽运铯原子钟的基本结构，它主要由铯炉、微波腔、C场、激光系统、微波频率综合系统以及频率控制系统组成。

图1 光抽运铯原子钟结构原理图

相比于其他小组和公司的光抽运铯束原子钟，本小组的光抽运铯束原子钟的特点在于：①使用了DFB半导体激光器；②利用铯原子束荧光谱进行激光稳频；③抽运激光使用铯原子D2跃迁4-4线，检测激光使用铯原子D2跃迁4-5线；④使用最大幅度进行微波功率的锁定；⑤通过控制Zeeman频率锁定激光C场电流。国内外光抽运铯束原子钟的比较见表1。

表1 国内外光抽运铯束原子钟

小型化光抽运铯束原子钟的主要指标可以分为短期稳定度和长期稳定度。根据近期测试结果，本小组研制的光抽运小铯钟的短期稳定度最优化情况下可达到2.17×10-12/τ1/2(DFB)，经过长达90+天的测试，本小组[17]的光抽运铯束原子钟在保证短期稳定度为3×10-12/τ1/2的情况下，长期稳定度达到7×10-15水平，如图2所示。

图2 国内外各类小型化的铯束原子钟Allan标准偏差比较(数据、参考文献，见表1)

2.2 冷铯束原子钟研究进展

为了进一步提升光抽运铯束原子钟的稳定度，我们开展了冷铯束原子钟的相关实验。在实验阶段，我们使用了ECDL激光器来验证冷原子铯束原子钟的可行性。实验原理如图3所示。我们使用2D+-MOT(二维磁光阱)来形成二维的束型铯原子MOT，利用一束推送激光将原子束推出MOT区域，使其依次经过抽运区，分离振荡场和检测区。与热铯束原子钟不同的是：①使用了两台外腔半导体激光器，一台锥形激光放大器；②使用铯原子的饱和吸收谱稳频，分别对两台激光器进行稳频[19]；③在抽运区，我们使用了双光抽运的方法，在原来单光抽运的基础上再进一步提升原子束的有效利用率。如图所示，我们实现4级的2D+-MOT，每一个的冷却光功率为15 mW，这些冷却光(4-5，红失谐)中，反抽运光(3-3)占比10%，纵向推射光(4-5，零失谐)为120 μW。检测光(4-5)功率为3 mW驻波场，抽运光1(4-3抽运)的功率为4 mW驻波场，抽运光2(3-3反抽运)的功率为1 mW。最终，我们获得了1×1010atoms/s强度的原子束流量，并通过双光抽运将原子的有效利用率提升到了50%左右，原子的飞行速度约为20 m/s，最终获得的Ramsey条纹线宽为40 Hz，符合理论预期。相比于FOCS-2和PHARAO，我们的冷铯束原子钟还维持了近似直线的原子束流路径，为方便之后进一步小型化，整体微波腔结构继承了原有热铯束原子束管的设计。

图3 冷铯束原子钟的基本结构

图4 PKU-ACT冷铯束光抽运铯束原子钟Ramsey花样

目前冷原子铯束原子钟的信噪比约为300，本小组下一步的研究方向为提高2D+-MOT所形成的原子束流强度提升信噪比，然后缩小系统体积提升系统的稳定性。本小组的目标为最终实现商品化的冷铯束原子钟。

3 总结和展望

本文回顾和比较了国内外光抽运铯束原子钟的研究进展和现状，介绍了北京大学小型化光抽运热、冷铯束原子钟的研究进展。北京大学的小型化光抽运热铯束原子钟获得了短期稳定度和长期稳定度的双重突破，分别达到3×10-12/τ1/2和7×10-15，两项指标均超越了5071A优质管，商品化的小型化光抽运铯束原子钟将在近期推出。光抽运冷铯束原子钟获得了线宽约40 Hz、信噪比约300的Ramsey信号，如果其信噪比可以达到10 000，那么频率稳定度可达3×10-12/τ1/2，这是一种连续的，具有高频率稳定度的原子钟。小型化的冷铯束原子钟将逐步研制并推出原理样机，未来将发挥它的优势。