双波长好坏腔一体的主动光钟

Active optical clock with dual-wavelength good-bad cavity at dual-wavelength will be studied in this project. 455 nm and 459 nm pumping lasers will be both employed. A He-Ne laser device or other laser gain media will be installed in the cavity of 1470 nm active optical clock and then good-cavity laser output and 1470 nm bad-cavity output will be obtained. The good-cavity laser output frequency is stabilized with PDH technique and the linewidth is planned to be reduced to the order of 1 Hz. The cavity length of the active optical clock is then locked. Then the output linewidth of 1470 nm bad-cavity active optical clock will be further reduced to a stability of 1X10^-15T^-1/2 , 1s<=T(Tao)<=100s, for the cavity-pulling effect is expected to be suppressed by about 20 times，preparing for improving the frequency stability to the order of 1E-18.

本课题拟开展全新的铯原子四能级量子系统的双波长好坏腔共腔的主动光钟的机理和实验研究。用455nm和459nm不同激光泵浦比对，在主动光钟的双波长谐振腔中加入专门设计的 He-Ne激光器件或其他激光增益，实现双波长共腔同时输出且共用同一谐振腔的主动光钟系统。其中好腔激光的波长工作在好腔范围，并采用PDH稳频方案将好腔激光输出线宽压窄到1 Hz量级实现主动光钟谐振腔腔长的锁定。同时，铯原子四能级主动光钟1470 nm输出波长工作在坏腔范围，从而实现腔牵引效应的弱化将谐振腔的长度噪声降低20倍。这样，作为主动光钟钟跃迁信号的1470 nm输出将在PDH稳频的基础上，利用主动光钟的腔牵引效应弱化机制，发挥特色，以频率信号输出稳定性能优于1X10^-15T^-1/2，T(Tao)大于等于1秒小于等于100秒，从而为最终实现1E-18量级的频率不稳定度打下坚实的基础。

本项目的研究目标是开展全新的基于铯原子四能级量子系统的双波长好坏腔共腔的主动光钟的机理和实验研究，证明主动光钟相比于传统被动光钟的腔牵引抑制作用，采用PDH稳频方案将好腔激光输出线宽压窄到1 Hz量级实现主动光钟谐振腔腔长的锁定。由于铯原子四能级主动光钟1470 nm输出波长工作在坏腔范围，利用主动光钟的腔牵引效应弱化机制，作为主动光钟钟跃迁信号的1470 nm输出将在PDH稳频的基础上将谐振腔的长度噪声再降低20倍，发挥主动光钟的特色，消除四能级主动光钟中剩余腔牵引效应对主动光频标的影响。.在此项目执行的四年间，完成了两套1064/1470 nm双波长好坏腔主动光频标系统的搭建和优化，实现了基于铯原子气室和Nd:YAG晶体的好坏腔双波长主动光钟1064 nm好腔和1470 nm坏腔共腔受激辐射的双波长输出；搭建了两套铯原子459 nm调制转移谱，为主动光钟提供更稳定的泵浦源；将两套系统中的1064 nm好腔激光进行相位锁定，实现了两套主动光钟谐振腔跟踪精度优于3E-16@1 s的结果，同时验证腔长锁定对两套系统中1470 nm坏腔激光拍频线宽的压窄作用，主动光频标线宽小于64 Hz；测量1470 nm 主动光频标信号的腔牵引抑制效应，在理论和实验上将主动光钟输出的谐振腔长度噪声降低60 倍以上；探索研究影响1470 nm主动光频标频率稳定性主要经典干扰—碰撞频移带来的干扰，并予减弱和控制；通过测量单套系统的超精细能级分裂之间的拍频信号，1470 nm主动光钟输出线宽小于19.8 Hz，相应的频率稳定度优于9.7E-14@1 s，对实验结果进行理论分析。授予七项国家发明专利，发表SCI论文21篇，会议论文30篇, 培养博士生8名，硕士生6名。