研究人員成功簡化光學原子鐘設計且不損性能

研究人員展示了一種新的光學原子鐘，其僅使用單個激光器，而且無需低溫條件。

“在過去的二十年中，下一代原子鐘的性能取得了諸多重大進步，”亞利桑那大學的研究小組負責人傑森·瓊斯說道。

“然而，這些系統中的很多都不適用於現實世界。爲把這項先進技術帶出實驗室，我們採用了一種簡化設計，在其中，單個頻率梳狀激光器既充當了時鐘的鐘擺或滴答機制，又充當了跟蹤時間的齒輪裝置。”

頻率梳——一種能發射數千種規則間隔的顏色或頻率的激光器——對於原子鐘和計時而言具有革命性意義。

在《光學快報》雜誌上，瓊斯和同事們 描述 了一種光學原子鐘，該鐘使用頻率梳直接激發銣 - 87 原子中的雙光子躍遷。他們指出，這種新設計實現了與配備兩個激光器的傳統光學原子鐘相同的性能。

“這一進展還有助於增強依賴於衛星原子鐘的全球定位系統網絡，通過提高性能並讓備用或替代時鐘更容易獲得，”該論文的第一作者塞思·埃裡克森（Seth Erickson）說道。

“這也是讓高性能原子鐘走進日常應用乃至人們家中的開端，例如，這能夠使電信網絡在不同對話間迅速切換。這可能使許多人能夠同時通過相同的電信頻道進行通信並提高數據速率。”

在光學鍾中，用激光激發原子的能級會致使原子在特定能級之間發生躍遷。這些躍遷的精確頻率作爲時鐘的“滴答”，能夠高精度地測量時間。儘管已經開發出便攜式芯片級光學原子鐘，但最精確和穩定的光學鍾使用在接近絕對零度溫度下捕獲的原子，以最小化原子運動，這可以改變原子所經歷的激光頻率。

爲避免對這種極端冷卻的需求，瓊斯及其同事使用了原子能級，該原子能級需要吸收兩個光子——而非一個光子——才能躍遷至更高的能級。當光子從相反方向射向原子時，其中一個光子的運動效應會抵消另一個光子的所有運動效應。這使得能夠使用溫度爲 100°C 的熱原子，並顯著簡化時鐘設計。

“這項工作的一項重大創新在於，我們不是從每個方向用單色激光向原子發射光子，而是從一個頻率梳髮出多種顏色的光，”瓊斯說。

“使用來自頻率梳的具有不同顏色的正確光子對，能讓它們以與來自單色激光的兩個光子相同的方式相加，從而以類似的方式激發原子。這消除了對單色激光的需求，進一步簡化了原子鐘。”

研究人員表示，商業頻率梳以及像布拉格光柵這類強大的光纖組件在電信波長下的廣泛可用性極大地促進了這種新設計的發展。他們使用光纖布拉格光柵將寬帶頻率梳頻譜縮小到小於 100GHz，以銣 - 87 的原子躍遷爲中心。這種經過窄濾波的頻譜增加了頻率梳輸出與銣 - 87 原子激發光譜之間的重疊程度。

爲了測試這種新方法，研究人員把兩個幾乎相同版本的新直接頻率梳時鐘和一個傳統時鐘做了比較，這個傳統時鐘包含使用額外的單頻激光器。新時鐘表現出一致的性能，在 1 秒時，其不穩定性爲 1.9×10−13；在 2600 秒時，平均降至 7.8(38)×10−15。這種性能與傳統時鐘和其他使用單頻激光架構的已發表結果相似。

研究人員當下正在努力改進他們的光學原子鐘設計，讓其更小、更能長期保持穩定，同時結合激光技術的新進展。直接頻率梳方法也可以用於其他雙光子原子躍遷，包括目前無法獲得低噪聲單頻激光器的躍遷。