铯原子喷泉钟碰撞频移的研究

目前铯原子喷泉钟是准确度最高的秒定义复现基准装置，准确度已经达到了大约5E-16。中国计量科学研究院研制的NIM5铯喷泉钟频率不确定度优于2E-15，主要受限于微波功率频移，冷原子碰撞频移等因素。为了进一步降低系统的不确定度，需要对冷原子碰撞等因素进行详细的研究。目前国际上已经有了一些此方面研究的理论计算及实验结果。但由于原子团的初始状态对碰撞几率的影响很大，不同系统的实验结果存在很大的差异。这样为对冷原子碰撞频移的理解提供了障碍。我们将先利用NIM5系统研究不同参数对碰撞频移的影响，更好地理解碰撞频移的原理，提出降低碰撞频移不确定度的设计方案，采用在空间上分立的MOT装载移动光学粘胶的方法进一步研究冷原子碰撞频移。此方法结合了传统的直接MOT装载和2维MOT装载+光学粘胶后冷却的优点，并且可调控的参数更多，为精确研究冷原子碰撞频移对喷泉钟不确定度的影响打下基础。

本项目在NIM5激光冷却-铯原子喷泉钟上开展了一系列冷原子-激光/微波相互作用实验，优化了系统运行状态，实施了频率评定实验。NIM5采用光学粘胶直接装载冷原子，原子云的体积大而密度低，碰撞频移小。但由于光学粘胶对原子的俘获能力差，致使信噪比变差。通过本项目的资助，我们改进了激光锁频和频率控制系统，优化了运行参数，提升了系统信噪比达到S/N~ 900，同时原子数波动和天-天波动小于3%。文章投到《Metrologia》杂志,达到评审专家好评。原子数增加的同时保证了运行可靠性。我们计算了从2014年1月起在circurlar T 上发布的各台喷泉的最小运行故障率。NIM5连续运行20天故障率低于0.8%，与同期报数的喷泉钟相比最低。达到国际领先水平。通过理论模拟计算得到常规运行状态下，测量的原子数和原子云的平均密度的非线性大小。确定了此项频移引进的不确定度。在理论计算的基础上，实验验证碰撞频移的线性变化。在现有喷泉的研究经验基础上，提出了3D MOT装载移动光学黏胶的方法进一步增加原子数且原子云分析比2D装载更均匀。同时提出了新的光泵浦方法，并理论计算了泵浦效率。文章发表在2015年的IFCS会议上。在此研究基础上我们申请了科技部的重大仪器项目完成下一代喷泉钟的研制和应用。新喷泉钟物理系统的设计利用了我们提出的新的方法，目前已经完成加工正在最后调试中。在项目研究中我们发现微波噪声是影响系统稳定度和不确定度的主要因素。因此花了一定时间对微波相关频移进行了深入研究，提出飞行下落原子限域计算等创新新方法有效抑制了微波频移，文章发表在CPL上。同时搭建了微波相位波动测试系统，可以试试监测并修正有微波相位波动引进的频移。通过本项目的研究，NIM5喷泉钟的不确定度有了改进，运行稳定度大幅提高。2013年NIM5参加第一次欧亚喷泉钟比对，与德国、俄罗斯、印度的5台喷泉钟的偏差在1.1e-15以内，旁证了NIM5独立评定准确可信。2014年，NIM5通过国家质检总局审批作为“秒长国家计量基准”。同年NIM5通过了国际时间频率咨询委员会频率基准工作组的评审，被接受为国际计量局承认的基准钟之一，与其它7国的喷泉钟一起驾驭国际原子时。2015年NIM5的研究工作获得质检总局科技兴检1等奖。在研究期间取得授权发明专利1项，发表文章SCI3篇， EI4篇。