镱原子光晶格钟抑制黑体辐射频移的实验研究

Modern fundamental metrology is greatly related to the development of the atomic clock. Most promising atomic clock is regarded as the optical clock based on single ion and neutral atoms. With the property of optical range transition and linewidth around order of magnitude of Hertz, the quality factor of the optical clock is improved by up to 4 order of magnitude compared with the microwave clock, which is the best frequency standard with least system uncertainties. However, two factor block the uncertainties of the atomic optical lattice clock: one is collision shift and the other is blackbody radiation (BBR) shift. If the two factors are circumvented, the uncertainties of atomic optical clock can be improved to 10^(-18) range. This project is based on the research of ytterbium（Yb） lattice clock, we conceive to get a synthetic clock transition with the help of two existing clock transition: 578 nm 1S0→3P0 and 507 nm1S0→3P2,which is exposed to the same environment temperature. With the deliberated synthetic clock transition, the BBR shift is independent to the temperature and it can be suppressed below 10^(-18).So the fractional uncertainties of Yb lattice clock is greatly improved.

现代计量学的重要进展与原子钟的发展是密不可分的。而最有前景的原子钟被认为是基于离子和中性原子的光钟。由于光钟具有光频段的钟跃迁和赫兹量级以下的窄线宽特性，使得光钟的品质因子比微波钟得到了四个数量级以上的提高，已经成为目前具有最小不确定度的频标体系。而目前制约中性原子光晶格钟不确定度的两个很大的因素有待改善，一个是光晶格中原子间的碰撞频移，另一个是与环境温度有关的黑体辐射频移。这两个问题的有效解决，将促进中性原子光晶格钟的不确定度推进到10^(-18)。本项目依托镱原子光晶格钟的研究，提出在常温下利用镱原子的两个钟跃迁578 nm 1S0→3P0和507 nm1S0→3P2的来构造新的合成钟跃迁来抑制黑体辐射频移的实验方案，从而消除钟跃迁对于环境温度的依赖，将镱原子光晶格钟的黑体辐射控制在10^(-18)以下，进而能够提升镱原子光晶格钟的不确定度。

此项目的开展，主要针对在镱原子光晶格钟研制过程中，如何抑制制约不确定度进入E-18的黑体辐射频移项这一关键问题进行的实验研究。本项目提出利用镱原子能级结构对应的两个钟跃迁来合成一个新的钟跃迁，从而用共模的办法消除每个钟跃迁频率测量过程中受到的温度效应引起的扰动，减少温度效应引起的黑体辐射频移项对不确定评估过程的贡献。.项目在开展期间，实验上分别获得578nm、507nm两个钟激光。578nm的钟激光系统是一个激光倍频锁频的窄线宽系统，用于探测的光功率可以达到10mW，线宽在1Hz；507nm钟激光是个自制的激光倍频系统，可用于探测的光功率有400μW，线宽在50kHz左右。实验过程中，分别利用两个钟激光场找到原子系统的钟跃迁频率，依托分辨率达到1MHz的波长计实现对钟激光频率的测量，从而合成新的种激光频率，用来消除主要由温度四次方项贡献引起的黑体辐射频移。对两个钟激光场测量的精度越高，黑体辐射频移项的贡献就越小，从而探索一条将黑体辐射频移抑制到E-18以下的新方案。.项目经过四年的实施，我们基本实现了预定的研究目标。获得了对应两个钟跃迁的激光场；578nm激光场的线宽压窄到了1Hz, 钟跃迁频率的测量精确度达到了兆赫兹量级，与美国NIST镱原子光钟组的测量结果在此量级上是符合的；验证了通过两个钟跃迁合成新的钟跃迁的方法抑制黑体辐射频移的的可行性。项目执行期间，我们还实现了镱原子光晶格钟的闭环锁定，交替检测的方法显示平均时间7200s，系统不稳定度达到2×10-16。