汞原子光晶格钟的关键技术研究

The optical lattice clock develops very quickly, and its stability and accuracy has already surpassed the microwave fountain clock and the optical clock based on ion trap. The mercury lattice clock has the possibility to make a breakthrough in the limitation of blackbody radiation shift for strontium and ytterbium lattice clock, and reach the uncertainty in E-18 level at room temperature. It is very important to the new physics, e.g. testing of standard model in fundamental particle physics and observation of the variation of fundamental physical constants with time. To reach the uncertainty in E-18 level, the key technical problem is fastly and effectively cooling and trapping the mercury atom into the deep lattice and demonstration of ultra-low noise and ultra-stable clock laser system to detect the narrow linewidth clock transition. Based on primary experimental system and recent study’s result, we will improve the physical system and the cooling laser system, to obtain high power of cooling laser, realize the fast loading and cooling of neutral mercury atom, and build a clock laser system which locked on ultra-stable cavity (USC) to detect the clock transition.

光晶格钟的研究发展非常迅速，其稳定度和准确度已经超越了微波喷泉钟和离子阱光钟。汞原子光晶格钟，有可能突破现有的锶和镱原子的黑体辐射频移极限，在室温下达到E-18量级的不确定度。这对验证基本粒子物理中的标准模型、观测基本物理常数随时间的变化等“新物理”效应非常重要。为达到E-18量级的不确定度，快速有效的将汞原子冷却并装载到较深的光晶格和实现低噪声的超稳钟频激光进行窄线钟频跃迁探测是必须解决的关键问题。本项目拟在已有的实验系统和近期研究结果上，改进物理系统和冷却激光系统，获得大功率冷却激光，实现汞原子的快速装载和冷却，建立一套锁定在超稳腔上的钟频激光系统，并探测钟频跃迁。

汞原子光晶格钟由于具有黑体辐射频移小的特点，是一种非常有特色的秒定义候选元素。本项目针对汞原子光晶格钟的研制中若干具有挑战性的关键技术进行研究，包括冷原子的制备和参数测量、超稳激光的获得、高效率倍频技术、紫外激光技术等，为下一步实现汞原子光晶格钟奠定了扎实的基础。.在汞原子的激光冷却上，实现了汞原子6个同位素的激光冷却和信号参数测量，获得了最多1.7(1.5)E6个202Hg（199Hg）原子，通过压缩磁光阱等技术，将202Hg（199Hg）原子温度冷却到170 μK（50 μK），获得了低于多普勒冷却极限的原子温度。.钟频激光探测上，研制完成了紫外超稳激光系统（265.6 nm），并探测了冷原子中的钟频跃迁光谱。实现了1062.5 nm超稳激光的PDH稳频，将激光频率锁定在ULE超稳腔上。通过两级主动控温，实现超稳腔的外层温控优于1 mK，测量了超稳腔隔温层的时间常数为2.7天，零膨胀温度约为18.5度。研究了激光功率和电光调制器的剩余幅度调制对激光频率的影响，并通过光纤噪声消除技术将光纤引入的噪声抑制到秒稳E-17量级。超稳激光经过光纤放大和两级倍频，获得了10.6 mW的紫外钟频激光输出，利用该激光探测了冷原子中的钟频跃迁光谱，测量了冷却光引起的光频移。.研制完成了大功率紫外冷却激光系统（253.7 nm），实现了室温下1014.8 nm光纤激光放大，通过两级高效率倍频，并解决了大功率紫外倍频的损伤问题，获得了1.4 W的紫外冷却激光输出，稳定输出功率为760 mW，该功率为文献报道的最大值。.提出了362.5 nm光晶格激光系统方案，建立了725 nm种子激光器，搭建了钛宝石注入锁定激光系统，正在进行测试。在三维磁光阱的实验基础上，计算了二维磁光阱的实验参数，设计了新的无磁钛合金真空系统，正在进行加工。