NIM4_铯冷原子喷泉钟新一代时间频率基准

收稿日期:2002-08-20

作者简介:李天初,男,研究员。

2004年2月宇航计测技术

Feb.,2004第24卷 第1期

Journal of Astronautic Metrology and Measurement

Vol.24,No.1文章编号:1000-7202(2004)01-0020-06 中图分类号:TM93511

文献标识码:A

NIM 4#铯冷原子喷泉钟新一代时间频率基准

李天初 李明寿 林平卫 黄秉英 钱进 王平 干云清

辛明德 陈伟亮 石春英 赵晓惠 刘年丰

(中国计量科学研究院,北京100013)

文 摘 回顾了NIM4#钟实现5L K 冷原子云,74cm 原子喷泉和0195Hz 线宽Ramsey 跃迁实验,报道了9119

GHz 微波锁定到铯原子秒定义跃迁,频率稳定性达到(5-7)@10-15(15000s)。目前我们正在进行不确定度评估,可望不确定度进入10-15量级,建立我国新一代时间频率基准装置。

主题词 时间频率基准 原子钟

+

冷原子喷泉钟

NIM 4#Cold Cesium Atomic Fountain Clock a Time and Frequency Primary Standard of New Generation

LI Tian-chu LI Ming-shou LIN Ping-wei HUANG Bing-ying QIAN Jin W ANG Ping

GAN Yun-qing XIN Ming-de CHEN Wei-liang SHI Chun-ying

ZHAO Xiao-hui LI U Nian-feng

(National Institute of Metrology,Beijing 100013)

Abstract We in this paper review realizations of the 5L K cold atom cloud,74c m atomic fountain,and Ramsey transition with 0.95Hz linewidth;and report the locking of th 9.19GHz microwa ve to the time unit,sec ond,definition transition of the Cesium atom with a stability of (5-7)@10

-15

(15000s)on the NI M4#

cold atomic fountain clock.Now we are evaluating the uncertainties with the target to establish the ne w genera -tion time and frequency primary standard,with uncertainty in the order of 10-15,of this nation. Key words Time and frequency standard Atomic clock

+

Cold atomic fountain clock

1时间频率基准)实验室型原子钟

由于时间频率基准关系国家核心利益,自1967年基于铯原子跃迁定义原子秒以来[1],发达国家计量院持续不断地投入人力、物力、财力研制实验室型铯原子钟作为国家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发展到铯冷原子喷泉。中国计量科学研究院先后研制了三台磁选态铯钟,1986年NI M3#钟达到相对不确定度3@10-13[2]。

1995年法国计量局时间频率研究所(LP TF)Cla-iron小组首次报导了激光冷却-铯冷原子喷泉钟[3]。冷原子喷泉钟利用六束正交激光在一个超高真空腔中捕获并冷却原子。然后通过竖直两束激光频率失谐,推动冷原子云上抛,继而在重力场作用下自由回落,形成原子喷泉。原子云在上抛回落过程中两次与同一微波腔中的微波场作用,发生秒定义钟跃迁。原子云继续下落与探测激光作用产生荧光。携带微波误差信息的荧光信号被探测器接收,经计算机处理,反馈锁定微波频率,从而产生标准频率。冷原子喷泉钟利用当代最前沿的科学技术成果,从原理上克服了传统铯原子束钟的几项重要误差源,同时有利于改善乘余的系统误差评估的不确定度,从而将时间频率基准的不确定度提高到一个新水平。

中国计量院从1997年开始研制NI M4#激光冷却-铯原子喷泉钟,不久将提交成果鉴定,目标是建立我国新一代时间频率基准。

2NIM4#冷原子喷泉钟实现频率锁定稳定度7@10-15(15000s)

我们已经发表了一系列文章描述NI M4#钟的设计,各部分作用和运行[4~9,11],这里不再重复。本文只报道NI M4#冷原子喷泉的主要实验和实验结果,并给以初步讨论。

NI M4#钟的目标是建立时间频率基准,它的优先技术目标是长期频率稳定性和频率准确度。

p原子云制备和Doppler冷却

激光-光学系统提供的装载光和重泵浦光,与反亥姆赫兹梯度磁场共同作用组成磁光阱(magnetic optical trap),磁光阱对与光波谐振的原子形成一个深势阱。NIM4#钟利用磁光阱在016s时间捕获约2@108个原子,并在Doppler机制下冷却,形成原子密度达1010原子/c m3,原子温度~150L K的高密度冷原子云[4,5]。表1列出NI M4#钟激光-光学系统达到的指标。

表1NIM4#钟装载-冷却激光-光学系统指标

波长复现性:

光功率密度(mW/cm)水平光:

竖直光

功率波动:

光斑均匀,准直良好。

<1@10-9

3.2

316

(1~2)%

p原子云上抛和激光后冷却-原子喷泉

磁光阱形成冷原子云后,关闭反亥姆赫兹磁场转换到纯光场的光学黏胶(optical molasess)。计算机控制声光调制器驱动器改变频率,使上下两束激光分别失谐:向上激光向原子谐振频率转移,失谐至v0+D v;同时向下激光转移至v0+D v,两束相向激光的反向失谐形成行波光学粘胶。行波的移动速度

v0=K D v(1)式中:K)))谐振波长,对铯为852nm;D v)))失谐频率。

行波光学粘胶带动冷原子向上加速,对NI M4#钟,原子在3ms内达到行波光学粘胶的速度v0,实现原子云上抛。

时序软硬件控制竖直光失谐实施原子抛射时,保持两束竖直光平均频率严格等于水平光的频率,相位抖动均小于5b,即

[(v0u+D v)+(v0d-D v)]/2=v h(2)式中:v0u和v0d分别代表向上向下光频率;v h表示水平光频率。

式(2)的物理意义是竖直光失谐形成的行波光学粘胶作无拌动均速运动,带动冷原子云向上运动,

#

21

#

第1期NIM4#铯冷原子喷泉钟新一代时间频率基准

保证原子云在抛射时不被加热,也不被打散[6]。

Doppler 冷却理论极限温度为T D =h #/2kB,(h 是普朗克常数;#为相应自然线宽;k B 玻尔兹曼常数)。对铯原子T D ~125L K 。为了进一步冷却原子,在原子云完成上抛,向上运动,但还处在六束激光交叉的光场之内时,增大激光失谐,同时控制声光调制器,减小六束冷却光的强度,对原子云实施梯度冷却机制的后冷却,原子温度达到~5L K 的超低温

[6,7]

。此时,关闭四束水平和二束竖直激光,超冷

原子云做自由上抛运动。上抛原子云在重力场作用下达到顶点,回落形成原子喷泉,并继续下落通过磁光阱区(此时磁光阱的光场和磁场均关闭),到达探测区。原子在探测光作用下发出荧光,被探测系统接收,经计算机处理,形成飞行时间(time of flight)曲线

[7]

。表2给出NI M4#钟喷泉实验参数。

表2 NIM4#钟喷泉实验参数

MOT-OM 原子数:上抛原子数:

56cm 喷泉回落原子数:选态原子数:探测原子数:

2E88E78E68E55E4

p

原子与微波作用和Ramsey 跃迁

经过后冷却的超冷原子云中的绝大多数原子处

在|F =4>态。屏蔽层内的C-场线圈沿竖直方向形成约5@10-7T 的均匀弱磁场,使原子能级产生塞曼分裂。遵循Boltzmann 分布,|F =4>态原子在C -场作用下在-4到+4的9个塞曼子能级上等几率分布。用H-maser 输出同步的铯钟频率合成器产生的高质量9192631770Hz 微波,分别馈入选态腔和激励腔,微波腔的模式为TE 011,品质因数约6000

[8]

。原子云在上抛时首先与选态微波场作用,

实现冷原子|F =4,m F =0>]|F =3,m F =0>]的P 跃迁。原子云继续向上运动到选态腔与激励之间时,计算机控制开启向下光脉冲,去除|F =4,m F X 0>态原子。剩余的|F =3,m F =0>原子在上抛-回落的喷泉运动中两次与激励微波P /2脉冲场作用,

实现|F =3,m F =0>]|F =4,m F =0>的Ramsey

跃迁。

原子云继续回落到达探测区。原子云中发生钟跃迁的|4,0>态原子,与上探测光谐振,发出荧光,被上探测器接收,产生代表|4,0>态原子数N 4的飞行下落TOF 信号。原子云中没有发生钟跃迁的|3,0>原子由下探测器接收,产生代表|3,0>态原子数N 3的荧光TOF 信号。计算机软件计算钟跃迁几率

N 4/(N 3+N 4)

即将钟跃迁原子数对总原子数归一化。由于喷泉钟以间断脉冲方式工作,归一化排除了每一发喷泉装载原子数不同导致的钟跃迁信号起伏。

控制系统按设定的步长扫描微波频率,计算机采集每个频率点的跃迁几率N 4/(N 3+N 4),得到Ra msey 条纹曲线。Ramsey 中心条纹FW HM 理论线宽[9]

$f 1=1/(2T )

(3)

式中:T )))原子两次与激励微波场作用之间的漂移时间。

图1显示NI M4#钟的Ra msey 跃迁实验曲线。从磁光阱中心上抛74cm(腔上方34c m),微波频率步长011Hz,每点6次喷泉循环平均,Ramsey 中心条纹的FWHM 宽度$f 1~0.95Hz [10]。

图1 NIM4#钟的Ramsey 跃迁实验曲线:上抛高度74cm(腔上方34cm),微波频率步长011Hz,每点6次喷泉循环平均,Ramsey 中心条纹的FWHM 宽度$f 1~0.95Hz.

Ramsey 跃迁曲线的质量是原子钟实验水平的一个重要表征。图1示出NI M4#的Ramsey 谐振线性,其质量已经达到实用水平。

#22

# 宇航计测技术 2004年

p

9119GHz 微波频率的伺服锁定

我们用俄罗斯Vremya VC H1003A 商品氢钟(H

-maser)作为飞轮钟,其频率稳定度优于2@10-15/d 。氢钟输出频率经锁相倍频,与一个高性能数字频率合成器的输出频率合成,生成高稳定高谱纯度可调谐的9119GHz 微波,作为本振。采用方波调制-数字伺服控制频率合成器的频率,将本振频率锁定到铯原子的秒定义原子谐振特征曲线的中心频率。计算机控制频率合成器,使本振频率从设定的钟跃迁名义中心频率9192631770Hz,负失谐特征曲线全宽半高(FW HM)线宽的半宽度频率,也就是调谐到特征曲线的低频端侧的中间频率,计算机读取原子云在这个频率点的跃迁几率;然后本振频率正失谐半宽度频率,读取原子云在特征曲线高频侧对应频率点的跃迁几率,两跃迁几率之差作为误差信号

伺服调谐频率合成器,使得两跃迁几率之差减小,完成一个闭环周期。如此循环,实现频率锁定。频率合成器的锁定频率与预设频率之差,就代表了铯冷原子喷泉钟钟跃迁谐振频率(未经修正系统频偏)与氢钟频率的频率偏差。

冷原子喷泉钟的频率稳定性阿仑方差理论预期为

[11]

R y (S )=(D

v /P v 0)(1/2N det )1/2(T cyc /S )1/2(4)式中:D v )))Ramsey 线宽;v 0)))跃迁频率;N det )))一个测量周期的时间;S )))阿仑方差的取样时间。

图2显示NI M4#钟频率锁定计算机界面。上行左右图分别表示左右跳频的归一化几率;中间行为伺服锁定9119GHz 微波频率的实验结果,纵坐标表示频率,横坐标为取样点数;

下行是频率锁定稳定

图2 NIM4#钟频率锁定计算机界面。上行左右图分别表示左右跳频的的归一化几率;中间行为9119GHz 微波频率伺服锁定实验结果,纵坐标表示频率,横坐标为取样点数;下行是频率锁定稳定性阿仑方差。

#23

#第1期 NIM4#铯冷原子喷泉钟新一代时间频率基准

性的阿仑方差,已经得到阿仑方差(5-7)@10-15

(15000s)。

按式(4)代入NI M4#钟的相应参数D v =1.4Hz (上抛56cm),N det ~5@104,T cyc =3s,得到预期稳定性约为4@10-13S -1/2

,

与实验结果基本相符。

图3 NIM4#NIM 守时钟组对同一氢钟的频率比对实验结果。纵坐标表示频率,横坐标为时间(d)。图中系列1为NIM4#-H 钟,数据点取样时间为(015-1)d;系列2为NIMCS2守时钟-H 钟,数据点取样时间为5d 。

图3表示NI M4#和NI MCs2守时钟频率对飞轮氢钟的频率比对实验结果。纵坐标表示频率,横坐标为时间。图中系列1和2数据分别为NI M4#和NI M 守时钟组相对于同一氢钟的频率比对,直线表示各自的最小二乘拟合直线。实验时间为自2003年3月6日到4月4日,跨越29天。系列2的NI M 守时钟组数据已经按照国际计量局国际原子时(TAI)修正。对图3的分析表明:

(1)图中两条最小二乘法拟合直线斜率相当一致,显示一个约2@10-15/d 的频率漂移,这个频率漂移是氢钟的频率漂移;

(2)图上部NIM4#钟数据的最小二乘法拟合残差约(8-9)@10-15(标准偏差),表明NI M4#钟的频率锁定复现性(开环,重新闭环锁定)已经进入10-15;

(3)NI MC s2守时钟5d 数据的拟合残差约5@10-14(标准偏差),与NI MCs2钟的误差分析相符;

(4)所用NI M4#的数据未经处理,图中两条拟合直线的纵坐标频率差应该是通过不确定度评估将

要加以修正的NI M4#钟系统误差。

在研制激光冷原子钟的过程中,涉及复杂的理论、技术和多方面的困难,其中(1)捕获足够数量的原子并冷却到超低温;(2)上抛冷原子云并获取信噪比良好的回落信号和(3)实现微波与上抛-回落原子云作用获得良好的原子跃迁信号是三个关键技术台阶。我们已经掌握了这三项关键的基础理论和核心技术。目前正在开展频率不确定度评估以确定和修正系统误差,使NI M4#钟不确定度进入10-15

,建

成我国新一代具有国际先进水平的时间频率基准装

置。

3 NIM4#钟不确定度的评估方法简介

理论分析和实验指出铯原子喷泉时间频率基准

有14项误差

[12]

,针对NI M4#钟预期的指标,14项

中的5项需要通过实验加以修正。它们是二阶塞曼频移,自旋交换频移(冷碰撞频移),微波功率频移,黑体辐射频移和重力频移。关于NI M4#的不确定度评估,我们将有专文详述,这里只简述NI M4#钟5项主要不确定度评估的方法。311 二阶塞曼频移

由于NI M4#钟磁屏蔽筒端盖开口较大,C 场不够均匀,以致难以使用微波场敏跃迁方法测量C 场。我们围绕喷泉区设置了专用低频电磁场线圈。当原子达到喷泉顶点时开启低频电磁场脉冲,在这个位置C 场作用下激励原子发生|3,0>]|3,?1>塞曼跃迁。扫描低频电磁场频率,找到与C 场成正比的塞曼跃迁谐振频率。改变原子喷泉高度,逐点测量C 场,得到C 场分布。

二阶塞曼频移

$f =[427.45@108(Hz/T 2)]#(B 2(t ))

(5)

式中:(B 2(t))表示磁场强度平方的时间平均。

从上式利用C 场分布计算出二阶塞曼频移。312 自旋交换频移

改变冷原子云原子密度,得到原子密度-碰撞频移曲线,外推到零原子密度,得到实验碰撞频移。

#24

# 宇航计测技术 2004年

313 微波功率频移

与碰撞频移实验相似,改变微波功率,从微波功率-碰撞频移曲线外推得到实验微波功率频移。314 黑体辐射频移

$f =-1.573#10

-14

(Hz)#[T /300(K)]4

#

[1+0.014(T /300(K)2

]

(6)

式中:T )))温度。315 重力频移

$f =1.09@10

-16

(m -1

)H (7)

式中:H 为海拔高度。

4 NIM5#可搬运铯冷原子喷泉钟

中国计量院在科技部基础研究项目的支持下,从2003年开始研制NI M5#可搬运激光冷却-铯原子喷泉时间频率基准。NI M5#钟总结NI M4#钟的成功经验和缺陷不足,借鉴国际原子钟新发展,改善可靠性,提高准确度。预计NIM5#钟稳定性3@10-15(10000s),不确定度5@10-15。为中国经济发展、科学研究和国防建设服务。

5 感 谢

本课题是科技部基础研究项目,在此对科技部的大力支持表示衷心感谢!作者诚挚感谢法国计量局时间频率研究所Dr A.Clairon,德国物理技术院(P TB)Dr S.Weyers,北京大学王义遒教授,中国计量院张首钢,马明德,高小王旬,张爱敏,瞿清昌,吴凡,

高秋来等的有益讨论和无私帮助!

参 考 文 献

[1] Resolution 1:SI unit of time(second).13th CGPM [J].1967

~1968.[J].1984,14:43.

[2] 李明寿等1铯原子束频率基准Cs-111的研制[J].计

量学报,1987,8:259.

[3] A.Clairon,https://www.360docs.net/doc/2217437894.html,uren t,G.Santarelli et al,A Cesium foun -tain frequency standard:preli minary results[J].IEEE Trans.

1995,IM44:128.

[4] 王立吉,吴长华,黄秉英等1NIM 铯原子喷泉频率基准

的设计与初步结果[J].计量学报,2000,21(1):11[5] T.Li,M.Li,B.Huang et al.Progress on the construction of

an atomic cesium fountain at NIM [J].Proc.of 2001IEEE international frequency control symposium (Seattle ).2001:101.

[6] 李天初1NIM 铯原子喷泉实现磁光阱-光学粘胶原子

云并冷却到10L K[J].计量学报,2001,22(3):239.[7] 李天初,李明寿,林平卫等1实现74cm 铯冷原子喷泉

的实验和讨论.计量学报,2003,24(3):254.

[8] 黄秉英,吴长华,干云清等1用于铯原子喷泉频率基

准的TE 011微波谐振腔[J].计量学报,2002,23(2):157.[9] J.Vanier and C.Audoin.The quantum physics of atomic fre -quency standards.Bri stol UK:IOP Publishing Ltd 1989.[10] 李天初,李明寿,林平卫等1NIM4#铯冷原子喷泉钟

Ramsey 跃迁和9119GHz 微波锁定[J].计量学报.[11] S.Jefferts, D.Meekhof,L.Hollberg et al,NIST Cesium

fountain frequency standard:preliminary results,Proc.1998IEEE IFCS,1998:2.

[12] S.Jefferts,J.Shirley,T.Parker et al.Accuracy evaluation of

NIST-F1,,2002,(39):321.

入 网 声 明

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5宇航计测技术6编辑部

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#第1期 NIM4#铯冷原子喷泉钟新一代时间频率基准