精密机械研究所--汞原子光晶格钟小组

  小组的目标是研制一种基于光晶格中的超冷汞原子的光频跃迁新型原子钟。汞原子和其他光晶格钟（钙原子、锶原子、镱原子）类似，具有非常窄的光频跃迁线宽（1S0→3P0跃迁，265.6nm，线宽100mHz）。汞原子有丰富的同位素（6个稳定同位素）。汞原子的优势在于其对环境的敏感度（黑体辐射频移）相比其他原子要小10倍以上。我们对汞原子可以进行激光冷却和捕获，并继而装载到光晶格中。光晶格的强束缚可以消除原子运动的影响。汞原子光晶格钟的另一个特殊性是要采用几种新颖的紫外激光光源（激光冷却波长为254nm，钟频跃迁波长为266nm，魔术波长光晶格波长为363nm）。

  小组的最终目的是发展一种高精度的原子钟，其准确度可达到10-18水平。通过光学频率梳和其他原子钟进行比对，重新进行秒定义，并进行基本物理定律（如等效原理）的新型测量，从而对引力、强弱相互作用等理论做出实验验证，对精细结构常数是否随时间改变进行测量。高精度原子钟还可以用在基于引力红移（Einstein效应）的地球引力场测量上。

研究进展

  汞原子光晶格钟小组从2010年开始开展超冷汞原子方面的研究工作。已经建立了一套汞原子激光冷却的实验装置（图1），解决了超冷汞源、超高真空腔、汞原子光谱、紫外激光器稳频等关键技术难题，稳定获得了超冷汞原子,探测到了钟频跃迁谱线。另一方面，完成了大功率紫外激光器的研发，应用室温下的特殊波长光纤激光放大技术和高效率倍频技术，获得了1.4 W的紫外激光输出，并实现了较高的系统稳定性；完善了紫外钟频激光器系统方案，建立了1062.5nm超稳激光系统，并实现了超稳激光的PDH锁定，通过光纤激光放大和两级倍频，得到10.6mW钟频激光，并应用该激光在冷原子上测量了钟频跃迁光谱。

汞原子真空系统和制冷汞源

1.汞原子激光冷却

  由于原有的紫外冷却光功率有限（10mW），我们采用单束折叠光路的方案(图2)，这不仅大大降低了所需要的冷却光功率，也提高了系统的稳定性。我们还进行了多种汞原子的光谱研究，用于将冷却激光稳定到原子的跃迁谱线上。2012年我们（国内）第一次观测到了超冷汞原子信号。在实现了紫外激光的稳频后，观测到冷原子所有的同位素，获得了106量级的原子数，并通过飞行时间法测量了冷原子的温度，对199Hg原子为50μK。

单束折叠光路与2012年首次观测到超冷汞原子信号

  超冷汞原子同位素与飞行时间法测量冷原子温度   　

2.大功率紫外冷却激光系统研制（253.7 nm）

  为了提高汞原子捕获效率，降低冷却时间，小组研发了一套大功率（>100mW）、窄线宽（<100kHz）、可调谐冷却激光系统（图4）。种子光为自制外腔反馈半导体激光器，通过光纤放大可得到最大7W的基频光输出，然后进行两次倍频。在此过程中，我们与上海光机所冯衍小组合作，发展了1014.8nm室温运行的光纤激光放大器，该方法已经被国际上多个小组采用，大大提高了冷却激光器的稳定性。自制的1014.8nm半导体激光器经过FP腔稳频和压窄线宽，输出功率为50mW，线宽为23kHz。两级倍频均采用环形折叠腔系统，第一级倍频晶体为LBO晶体，在6.3W基频光输入时可以得到4.1W的二倍频激光；第二级倍频晶体为BBO晶体，最大可以得到1.4W的紫外激光输出。              

3.超稳超窄线宽紫外钟频激光系统研制（265.6nm）钟频探测需要超窄线宽和超高稳定度的紫外激光。首先将一个1062.5nm的光纤激光器通过PDH稳频锁定在一个ULE超稳腔上（精细度约为46万），实现亚赫兹线宽超稳激光，通过光纤激光放大器放大到2W以上，单次通过PPLN晶体倍频至531.2nm，再通过一个BBO晶体腔倍频获得3.7 mW的265.6nm紫外超稳激光，可用于钟频跃迁的探测。1062.5nm超稳激光通过光纤噪声消除方法，传递到光学频率梳系统，进行绝对光频的测量。

超稳钟频激光系统结构示意图，超稳腔及其隔热真空系统、PPLN晶体及温控和531 nm-265.5 nm倍频腔实物图 

4.冷原子中钟频跃迁信号的探测

  实验上利用时序程序控制紫外冷却光和钟频光的开关，同时扫描钟频激光的频率，获得冷原子中的钟频跃迁谱线。图6中红线为无冷却光时的钟频跃迁谱线，谱线的半高全宽570 kHz，对应原子团温度100 μK。蓝线为有冷却光时的钟频跃迁谱线。通过比较两条谱线的中心位置，可以测量获得冷却光引起的光频移约为296 kHz。

冷原子中的钟频跃迁谱线 

5.魔术波长光晶格激光系统研制（362.57 nm）

  汞原子的魔术波长光晶格激光波长为362.57nm，需要将725.14nm大功率窄线宽激光倍频获得200mW以上的激光输出。我们采用注入锁定钛宝石激光技术，将窄线宽的725nm半导体激光注入钛宝石腔，经过PDH稳频后，获得瓦级725nm激光输出，再通过一个LBO晶体倍频腔倍频获得362.57nm激光。  

钛宝石晶体及热沉与注入锁定钛宝石激光系统 　　 　　

汞原子光晶格钟的原理和结构

  汞原子光晶格钟的原理如图5所示,将囚禁在一维光晶格中的超冷汞原子的钟频跃迁（199Hg原子的1S0→3P0跃迁，自然线宽100mHz）作为参考，用一个高稳定度的光学本地振荡器（超稳激光，稳定在超稳参考腔上）探测获得鉴频信号，通过反馈控制来锁定光学本地振荡器，通过光学频率梳测量鉴频信号，并将锁定后的光频信号转换为可输出的微波信号。

  光钟的运行原理与汞原子光钟相关的能级结构 　　　

  汞原子光晶格钟的总体结构包括物理系统、冷却激光系统、钟频激光系统、光晶格激光系统、抽运激光系统和光学频率传递测量控制系统等，如图7所示。其中物理系统为原子介质的制备和探测环境，光晶格装载的原子数达到1000个，装载周期约1秒。冷却激光系统用于产生汞原子激光冷却的紫外激光，同时也用于探测基态原子数，波长为253.7nm（1S0→3P1跃迁）。钟频激光系统用于钟频探测的超稳紫外激光，波长为265.6nm（1S0→3P0跃迁）。光晶格激光系统用于产生魔术波长光晶格激光，波长在362.57nm附近。光抽运激光系统用于钟频探测中的跃迁几率归一化，将处于激发态（3P0）的原子抽运到基态（1S0），以探测激发态的布居数，需用三台激光，波长分别为405nm（3S1→3P0跃迁）、546nm（3S1→3P2跃迁）和435nm（3S1→3P1跃迁）。光学频率传递测量控制系统用于超稳激光信号的光纤传递、测量和控制，消除光纤传递中附加噪声，用光纤光学频率梳测量超稳激光的频率，由原子的鉴频信号反馈控制钟频激光的频率。