上海光機所脈沖光抽運銣原子鐘研究取得突破

　　中科院量子光學重點實驗室王育竹院士領導的新型星載原子鐘課題組在脈沖光抽運銣原子鐘研究中取得突破性進展。課題組在2012年12月15日出版的國際學術期刊《光學快報》上發表的論文[Opt. Lett. 37, 5036 (2012)]中，首次報道了利用基于磁光旋轉效應的正交偏振探測技術探測氣泡式銣原子鐘的鐘躍遷信號，獲得了對比度高達90%的超高對比度鐘躍遷信號，抑制了散彈噪聲，極大地提高了鐘躍遷信號的信噪比和原子鐘頻率穩定度。

　　國際上氣泡式銣原子鐘的躍遷信號都是利用吸收法探測，由于散彈噪聲的限制，獲得的鐘躍遷信號對比度最高不超過30% [Phys. Rev. A 81,013833 (2010), Metrologia 49,425 (2012)]。正交偏振探測技術可以將探測光的背影光強濾除，因此抑制散彈噪聲和激光引入的噪聲，從而大幅提高原子鐘的頻率穩定度。在相同條件下，利用正交偏振探測技術獲得的以阿倫方差表征的銣原子鐘頻率穩定度比傳統的吸收探測技術提高一個數量級。

　　眾所周知，原子鐘是衛星導航定位系統(如美國的GPS和中國的北斗系統)的核心部件之一，當今各國廣泛采用光譜燈抽運的銣氣泡型原子鐘作衛星導航系統的星載鐘。但是，由于傳統銣氣泡型原子鐘利用了連續光抽運技術，因此存在光頻移，由于散彈噪聲的影響，原子鐘的中長期頻率穩定性不好。采用正交偏振探測技術的脈沖光抽運銣原子鐘可以消除光頻移，使其頻率穩定度指標比被動氫原子鐘略高，并且具有體積小和重量輕的優點，是下一代導航系統的理想星載鐘。

　　《光學快報》審稿人對該工作做出了高度評價：“這是一篇有趣的工作，作者利用磁光旋轉方法代替吸收法，極大的壓制了背景光強噪聲，提高了鐘躍遷譜線信噪比。該方法應該得到原子鐘研究領域的關注。”

　　文章發表一周后，意大利國家計量研究院時間頻率部Micalizio博士(脈沖光抽運銣原子鐘研究世界最好記錄保持者)發來賀電稱：“祝賀你們在你們的設備上取得的杰出成果……”。

　　該項研究得到973項目、中科院儀器設備功能開發技術創新項目以及863項目的支持。

圖1、正交偏振探測技術獲得的Ramsey條紋(a)對比度90%，信噪比840，吸收探測技術獲得的Ramsey條紋;(b)對比度20%，信噪比130。

圖2、正交偏振探測技術(三角形)和吸收探測技術(圓點)的原子鐘阿倫方差對比