晶格縱向上的原子運動是局域化的，因而原子具有分立的振動能級結構。如果原子溫度足夠低，自旋極化的原子將全部布居在振動基態，并且高階的分波散射將消失。但是，經過兩級冷卻后的鐿原子溫度仍然較高，比較接近p 波離心勢壘大小(約30 μK)，導致鐿原子占據晶格勢阱的多個振動能級，有可能發生p 波散射。即使鐘探詢光的光強均勻并與晶格光的波矢完全共線，鐘躍遷激發的拉比頻率仍會出現不均勻性，而這樣的拉比振蕩失相意味著原子可分辨，將產生碰撞頻移。對于原子溫度引起的拉比振蕩失相問題，可使用諸如拉曼邊帶冷卻的深度冷卻方法解決。同自旋極化一樣，拉曼邊帶冷卻也是利用激光場對原子進行定向的量子操控。為了將鐿原子冷卻至晶格勢的基態振動能級，可采用578 nm鐘躍遷進行拉曼邊帶冷卻，但這種方法需要額外的抽運光。經過理論分析，我們提出了一種不同的實驗方案，即利用經過特殊設計的光晶格產生受激拉曼躍遷進行邊帶冷卻。
4 冷鐿原子鐘躍遷譜的精密測量
4.1 鐘躍遷譜的初探
依次經過一級冷卻、二級冷卻和光晶格裝載后，處于1S0基態的冷171Yb 原子具有足夠的可探詢時長，并且其運動滿足Lamb—Dicke 條件，可被激發至3P0態發生無一階多普勒頻移和光子反沖頻移的578 nm鐘躍遷。我們用一束與晶格光共線的578 nm 激光探詢冷171Yb 原子的1S0－3P0 躍遷，再利用一束399 nm 激光誘導1S0－1P1躍遷產生共振熒光。當發生鐘躍遷時，原子被激發至3P0態，處于基態1S0的原子數將減少，那么，399 nm共振熒光的減弱即對應鐘躍遷激發。由此，獲得了線寬約為1.7 kHz的鐘躍遷譜線。
4.2 可分辨的載波—邊帶譜
如前所述，囚禁于一維光晶格中的冷鐿原子除了擁有電子能級外，還存在振動能級。沿晶格縱向進行鐘躍遷探詢，可獲得載波—邊帶結構的鐘躍遷譜線，載波對應純電子態激發，而邊帶譜對應電子和振動態混合激發。如果晶格勢阱的縱向能級間隔比功率展寬后的載波線寬要大得多，意味著鐘探詢可以分辨純電子躍遷和混合躍遷，即鐘躍遷譜線滿足可分辨的載波—邊帶條件。
為了消除原子數目起伏帶來的影響，改用歸一化探測法獲得高信噪比的171Yb 鐘躍遷譜線。一維光晶格中，典型的鐘躍遷載波—邊帶譜如圖5 所示。圖中載波和邊帶結構清晰可辨，其中載波躍遷對應振動量子數Δn=0 的躍遷，而左右邊帶稱為紅藍邊帶，分別對應Δn=－1，+1 的躍遷。對載波—邊帶譜進行分析，可以得到晶格勢阱和原子的一些相關參數。從紅藍邊帶陡峭邊沿直接讀出振動能級間隔，求得光晶格縱向的勢阱深度，根據紅藍邊帶面積比可以求解出晶格縱向的原子溫度。由于一維光晶格橫向和縱向自由度發生耦合，紅藍邊帶各自都不對稱，面朝載波的下降平緩譜線包含了晶格橫向的原子溫度信息。
圖5 一維光晶格中的171Yb鐘躍遷載波—邊帶譜
鐘躍遷的載波—邊帶譜證實了光晶格中的原子具有分離的振動能態。當載波—邊帶譜滿足可分辨條件，且光晶格處于魔術波長處時，載波躍遷就是冷原子光鐘所參考的鐘躍遷。同時注意到，可分辨的載波—邊帶譜也是進行拉曼邊帶冷卻的先決條件。
4.3 傅里葉極限線寬的鐘躍遷譜線
在獲得鐘躍遷的載波—邊帶譜時，為了使邊帶激發明顯，鐘探詢通常是過飽和的。因此，鐘躍遷譜有明顯的功率展寬。另外，在存在雜散磁場的情況下，171Yb原子鐘態1S0(F=1/2)和3P0(F=1/2)各自磁子能級間的簡并得到解除(圖1)，因而譜線還存在塞曼增寬。