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利用传输腔技术实现镱原子光钟光晶格场的频率稳定

张曦 刘慧 姜坤良 王进起 熊转贤 贺凌翔 吕宝龙

利用传输腔技术实现镱原子光钟光晶格场的频率稳定

张曦, 刘慧, 姜坤良, 王进起, 熊转贤, 贺凌翔, 吕宝龙
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  • 为了获得高稳定度和高精确度的原子光晶格钟,光晶格场的频率必须得到锁定,线宽必须控制到特定水平用来消除交流斯塔克频移.本文提出利用传输腔技术来实现对镱原子光钟的光晶格场的频率锁定和抑制频率长期漂移的锁定方案.首先,将一个殷钢材料的传输腔锁定在基于调制转移谱技术锁定的780 nm激光场上,再将759 nm的光晶格光场锁定在传输腔上.实验结果表明,光晶格光场的线宽可以锁定和控制在1 MHz以下.光晶格光场与锁定于氢钟的光梳拍频结果显示,光晶格光场的长期频率稳定度优于3.6×10-10,可以确保实现镱原子光钟的不确定度进入10-17.
      通信作者: 贺凌翔, helx@wipm.ac.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61227805,11574352,91536104,91636215)和B类战略性先导科技专项(批准号:XDB21030700)资助的课题.
    [1]

    Nicholson T L, Campbell S L, Hutson R B, Marti G E, Bloom B J, McNally R L, Zhang W, Barrett M D, Safronova M S, Strouse G F, Tew W L, Ye J 2015 Nat. Commun. 6 6896

    [2]

    Bondarescu R, Schärer A, Lundgren A, Hetényi G, Houlié N, Jetzer P, Bondarescu M 2015 Geophys. J. Int. 202 1770

    [3]

    Derevianko A, Pospelov M 2014 Nat. Phys. 10 933

    [4]

    Arvanitaki A, Huang J, Tilburg K V 2015 Phys. Rev. D 91 015015

    [5]

    Schioppo M, Brown R C, McGrew W F, Hinkley N, Fasano R J, Beloy K, Yoon T H, Milani G, Nicolodi D, Sherman J A, Phillips N B, Oates C W, Ludlow A D 2016 Nat. Photon. 11 48

    [6]

    Huntemann N, Sanner C, Lipphardt B, Tamm C, Peik E 2016 Phys. Rev. Lett. 116 063001

    [7]

    Hinkley N, Sherman J A, Phillips N B, Schioppo M, Lemke N D, Beloy K, Pizzocaro M, Oates C W, Ludlow A D 2013 Science 341 1215

    [8]

    Beloy K, Hinkley N, Phillips N B, Sherman J A, Schioppo M, Lehman J, Feldman A, Hanssen L M, Oates C W, Ludlow A D 2014 Phys. Rev. Lett. 113 260801

    [9]

    Recommended values of standard frequencies for applications including the practical realization of the metre and secondary representations of the second, 171Yb neutral atom, 6s2 1S0-6s6p 3P0 unperturbed optical transition, CIPM 2004 Phys. Rev. A 69 021403

    [10]

    Takamoto M, Hong F L, Higashi R, Katori H 2005 Nature 435 03541

    [11]

    Barber Z W, Stalnaker J E, Lemke N D, Poli N, Oates C W, Fortier T M, Diddams S A, Hollberg L, Hoyt C W 2008 Phys. Rev. Lett. 100 103002

    [12]

    Alnis J, Matveev A, Kolachevsky N, Udem T, Hänsch T W 2008 Phys. Rev. A 77 053809

    [13]

    Jiang Y Y, Bi Z Y, Xu X Y, Ma L S 2008 Chin. Phys. B 17 2152

    [14]

    Nevsky A, Alighanbari S, Chen Q F, Ernsting I, Vasilyev S, Schiller S, Barwood G, Gill P, Poli N, Tino G M 2013 Opt. Lett. 38 4903

    [15]

    Bohlouli-Zanjani P, Afrousheh K, Martin J D 2006 Rev. Sci. Instrum. 77 093105

    [16]

    Riedle E, Ashworth S H, Farrell J T, Nesbitt D J 1994 Rev. Sci. Instrum. 65 42

    [17]

    Jones D J, Diddams S A, Ranka J K, Stentz A, Windeler R S, Hall J L, Cundiff S T 2000 Science 288 635

  • [1]

    Nicholson T L, Campbell S L, Hutson R B, Marti G E, Bloom B J, McNally R L, Zhang W, Barrett M D, Safronova M S, Strouse G F, Tew W L, Ye J 2015 Nat. Commun. 6 6896

    [2]

    Bondarescu R, Schärer A, Lundgren A, Hetényi G, Houlié N, Jetzer P, Bondarescu M 2015 Geophys. J. Int. 202 1770

    [3]

    Derevianko A, Pospelov M 2014 Nat. Phys. 10 933

    [4]

    Arvanitaki A, Huang J, Tilburg K V 2015 Phys. Rev. D 91 015015

    [5]

    Schioppo M, Brown R C, McGrew W F, Hinkley N, Fasano R J, Beloy K, Yoon T H, Milani G, Nicolodi D, Sherman J A, Phillips N B, Oates C W, Ludlow A D 2016 Nat. Photon. 11 48

    [6]

    Huntemann N, Sanner C, Lipphardt B, Tamm C, Peik E 2016 Phys. Rev. Lett. 116 063001

    [7]

    Hinkley N, Sherman J A, Phillips N B, Schioppo M, Lemke N D, Beloy K, Pizzocaro M, Oates C W, Ludlow A D 2013 Science 341 1215

    [8]

    Beloy K, Hinkley N, Phillips N B, Sherman J A, Schioppo M, Lehman J, Feldman A, Hanssen L M, Oates C W, Ludlow A D 2014 Phys. Rev. Lett. 113 260801

    [9]

    Recommended values of standard frequencies for applications including the practical realization of the metre and secondary representations of the second, 171Yb neutral atom, 6s2 1S0-6s6p 3P0 unperturbed optical transition, CIPM 2004 Phys. Rev. A 69 021403

    [10]

    Takamoto M, Hong F L, Higashi R, Katori H 2005 Nature 435 03541

    [11]

    Barber Z W, Stalnaker J E, Lemke N D, Poli N, Oates C W, Fortier T M, Diddams S A, Hollberg L, Hoyt C W 2008 Phys. Rev. Lett. 100 103002

    [12]

    Alnis J, Matveev A, Kolachevsky N, Udem T, Hänsch T W 2008 Phys. Rev. A 77 053809

    [13]

    Jiang Y Y, Bi Z Y, Xu X Y, Ma L S 2008 Chin. Phys. B 17 2152

    [14]

    Nevsky A, Alighanbari S, Chen Q F, Ernsting I, Vasilyev S, Schiller S, Barwood G, Gill P, Poli N, Tino G M 2013 Opt. Lett. 38 4903

    [15]

    Bohlouli-Zanjani P, Afrousheh K, Martin J D 2006 Rev. Sci. Instrum. 77 093105

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    [17]

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  • [1] 贾梦源, 赵刚, 周月婷, 刘建鑫, 郭松杰, 吴永前, 马维光, 张雷, 董磊, 尹王保, 肖连团, 贾锁堂. 基于噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术实现光纤激光器到1530.58 nm NH3亚多普勒饱和光谱的频率锁定. 物理学报, 2018, 67(10): 104207. doi: 10.7498/aps.67.20172541
    [2] 姜海峰. 超稳光生微波源研究进展. 物理学报, 2018, 67(16): 160602. doi: 10.7498/aps.67.20180751
    [3] 刘朝阳, 顾思洪, 杜润昌, 陈杰华. CPT原子频标实验研究. 物理学报, 2009, 58(9): 6117-6121. doi: 10.7498/aps.58.6117
    [4] 阮军, 王叶兵, 常宏, 姜海峰, 刘涛, 董瑞芳, 张首刚. 时间频率基准装置的研制现状. 物理学报, 2015, 64(16): 160308. doi: 10.7498/aps.64.160308
    [5] 林弋戈, 方占军. 锶原子光晶格钟. 物理学报, 2018, 67(16): 160604. doi: 10.7498/aps.67.20181097
    [6] 李婷, 卢晓同, 张强, 孔德欢, 王叶兵, 常宏. 锶原子光晶格钟黑体辐射频移评估. 物理学报, 2019, 68(9): 093701. doi: 10.7498/aps.68.20182294
    [7] 郭阳, 尹默娟, 徐琴芳, 王叶兵, 卢本全, 任洁, 赵芳婧, 常宏. 锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测. 物理学报, 2018, 67(7): 070601. doi: 10.7498/aps.67.20172759
    [8] 卢晓同, 李婷, 孔德欢, 王叶兵, 常宏. 锶原子光晶格钟碰撞频移的测量. 物理学报, 2019, 68(23): 233401. doi: 10.7498/aps.68.20191147
    [9] 高云峰, 詹明生, 冯健, 王继锁. 光场及原子-光场耦合的非线性对腔内原子辐射谱的影响. 物理学报, 2001, 50(7): 1279-1283. doi: 10.7498/aps.50.1279
    [10] 程愿应, 王又青, 胡 进, 李家熔. 一种新颖的用于光腔模式及光束传输模拟的特征向量法. 物理学报, 2004, 53(8): 2576-2582. doi: 10.7498/aps.53.2576
    [11] 周博臻, 徐四六, 程正则. 光弹在库墨-高斯晶格中传输特性的研究. 物理学报, 2013, 62(8): 084210. doi: 10.7498/aps.62.084210
    [12] 徐琴芳, 尹默娟, 孔德欢, 王叶兵, 卢本全, 郭阳, 常宏. 光梳主动滤波放大实现锶原子光钟二级冷却光源. 物理学报, 2018, 67(8): 080601. doi: 10.7498/aps.67.20172733
    [13] 戴宏毅, 陈平形, 梁林梅, 李承祖. 利用Λ型原子与光场的纠缠态传送腔场的奇偶相干态的叠加态. 物理学报, 2004, 53(2): 441-444. doi: 10.7498/aps.53.441
    [14] 高峰, 王叶兵, 田晓, 许朋, 常宏. 锶原子三重态谱线的观测及在光钟中的应用. 物理学报, 2012, 61(17): 173201. doi: 10.7498/aps.61.173201
    [15] 吴长江, 阮军, 陈江, 张辉, 张首刚. 应用于铯原子喷泉钟的二维磁光阱研制. 物理学报, 2013, 62(6): 063201. doi: 10.7498/aps.62.063201
    [16] 段路明, 郭光灿. 晶格原子与光场相互作用体系的元激发——能级激元. 物理学报, 1997, 46(6): 1114-1117. doi: 10.7498/aps.46.1114
    [17] 曹昌祺, 丁小宏. 理想腔中多次原子注入产生的光场挤压. 物理学报, 1992, 41(8): 1269-1278. doi: 10.7498/aps.41.1269
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    [20] 曹昌祺, 刘正东, 林多樑. 腔内原有光场的振幅压缩. 物理学报, 1991, 40(11): 1792-1798. doi: 10.7498/aps.40.1792
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-21
  • 修回日期:  2017-06-06
  • 刊出日期:  2017-08-20

利用传输腔技术实现镱原子光钟光晶格场的频率稳定

  • 1. 中国科学院武汉物理与数学研究所, 波谱与原子分子物理国家重点实验室, 武汉 430071;
  • 2. 中国科学院原子频标重点实验室, 武汉 430071;
  • 3. 中国科学院大学, 北京 100049
  • 通信作者: 贺凌翔, helx@wipm.ac.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:61227805,11574352,91536104,91636215)和B类战略性先导科技专项(批准号:XDB21030700)资助的课题.

摘要: 为了获得高稳定度和高精确度的原子光晶格钟,光晶格场的频率必须得到锁定,线宽必须控制到特定水平用来消除交流斯塔克频移.本文提出利用传输腔技术来实现对镱原子光钟的光晶格场的频率锁定和抑制频率长期漂移的锁定方案.首先,将一个殷钢材料的传输腔锁定在基于调制转移谱技术锁定的780 nm激光场上,再将759 nm的光晶格光场锁定在传输腔上.实验结果表明,光晶格光场的线宽可以锁定和控制在1 MHz以下.光晶格光场与锁定于氢钟的光梳拍频结果显示,光晶格光场的长期频率稳定度优于3.6×10-10,可以确保实现镱原子光钟的不确定度进入10-17.

English Abstract

参考文献 (17)

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