基于新型探测技术的小型化钙原子束光频标

研制高性能的实用型的光频标准不仅在基础物理研究方面（如测试精细结构常数的时间变化和高精密光谱）还可以应用在民用（GPS全球定位系统）和军事（精密定位与打击）等领域。但是目前的光频标由于系统过于复杂，无法像微波频标一样得到广泛应用。本项目研制一种基于新型探测技术的小型化钙原子束光频标，在传统原子束光频标的基础上，创新地提出变换能级检测和斜光检测方法，增强了探测效率，提高了原子束光频标系统的稳定度和准确度指标，预期指标为秒稳定度达到9×10-14，准确度小于1×10-13。这种基于新型探测技术的原子束光频标不仅优于基于传统探测技术的原子束光频标，还远优于现在商用的铯钟、氢钟等微波频标。因此，项目研制成功后将可以取代这些广泛使用的微波频标，具有重要的现实意义。

本项目的研究目标是研制高性能实用型的光频标标准——一种基于变换能级检测和斜光检测技术的小型化钙原子束光频标。针对于小型钙原子光频标的组成，着重研究了钙原子束真空管系统技术，窄线宽657nm半导体激光器技术，423nm激光器技术以及亚多普勒原子谱线技术。为了提高最终钙原子光频标的性能指标，对各个部分在理论和实验上都做了深入的研究，并最终评价了小型钙原子光频标的性能指标。除此之外，还探索了新型的全光锁定技术、色散探测技术、用Hanle效应对激发态原子寿命进行测量及其对荧光收集效率的影响等，为进一步提高钙原子光频标的性能奠定了基础。.　 在此项目执行的三年间，首先对钙原子真空系统小型化，获得准直性能高的钙原子束。657nm窄线宽半导体激光器采用干涉滤光片片结构，并优化驱动电源，最终657nm激光器的洛伦兹线宽达到10kHz。423nm激光器采用性能更加稳定的半导体激光器代替倍频激光器，其各项指标均达到实验要求。采用斜光探测技术，钙原子束首先与657nm激光相互作用，采用“猫眼”结构产生饱和谱，再用已被锁在钙原子423nm跃迁中心的423nm激光探测657nm跃迁信号，得到高信噪比的跃迁谱线，谱线的线宽达到500kHz，信噪比优于3500，用于锁定657nm激光器实现闭环。发表论文27篇，授予中国发明专利5项，国外发明专利1项，培养出3名博士，6名硕士。