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

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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,

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第1期NIM4#铯冷原子喷泉钟新一代时间频率基准