小組的目標(biāo)是研制一種基于光晶格中的超冷汞原子的光頻躍遷新型原子鐘。汞原子和其他光晶格鐘（鈣原子、鍶原子、鐿原子）類似，具有非常窄的光頻躍遷線寬（1S0→3P0躍遷，265.6nm，線寬100mHz）。汞原子有豐富的同位素（6個穩(wěn)定同位素）。汞原子的優(yōu)勢在于其對環(huán)境的敏感度（黑體輻射頻移）相比其他原子要小10倍以上。我們對汞原子可以進(jìn)行激光冷卻和捕獲，并繼而裝載到光晶格中。光晶格的強(qiáng)束縛可以消除原子運(yùn)動的影響。汞原子光晶格鐘的另一個特殊性是要采用幾種新穎的紫外激光光源（激光冷卻波長為254nm，鐘頻躍遷波長為266nm，魔術(shù)波長光晶格波長為363nm）。

  小組的最終目的是發(fā)展一種高精度的原子鐘，其準(zhǔn)確度可達(dá)到10-18水平。通過光學(xué)頻率梳和其他原子鐘進(jìn)行比對，重新進(jìn)行秒定義，并進(jìn)行基本物理定律（如等效原理）的新型測量，從而對引力、強(qiáng)弱相互作用等理論做出實(shí)驗驗證，對精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是否隨時間改變進(jìn)行測量。高精度原子鐘還可以用在基于引力紅移（Einstein效應(yīng)）的地球引力場測量上。

研究進(jìn)展

  汞原子光晶格鐘小組從2010年開始開展超冷汞原子方面的研究工作。已經(jīng)建立了一套汞原子激光冷卻的實(shí)驗裝置（圖1），解決了超冷汞源、超高真空腔、汞原子光譜、紫外激光器穩(wěn)頻等關(guān)鍵技術(shù)難題，穩(wěn)定獲得了超冷汞原子,探測到了鐘頻躍遷譜線。另一方面，完成了大功率紫外激光器的研發(fā)，應(yīng)用室溫下的特殊波長光纖激光放大技術(shù)和高效率倍頻技術(shù)，獲得了1.4 W的紫外激光輸出，并實(shí)現(xiàn)了較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性；完善了紫外鐘頻激光器系統(tǒng)方案，建立了1062.5nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了超穩(wěn)激光的PDH鎖定，通過光纖激光放大和兩級倍頻，得到10.6mW鐘頻激光，并應(yīng)用該激光在冷原子上測量了鐘頻躍遷光譜。

汞原子真空系統(tǒng)和制冷汞源

1.汞原子激光冷卻

  由于原有的紫外冷卻光功率有限（10mW），我們采用單束折疊光路的方案(圖2)，這不僅大大降低了所需要的冷卻光功率，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。我們還進(jìn)行了多種汞原子的光譜研究，用于將冷卻激光穩(wěn)定到原子的躍遷譜線上。2012年我們（國內(nèi)）第一次觀測到了超冷汞原子信號。在實(shí)現(xiàn)了紫外激光的穩(wěn)頻后，觀測到冷原子所有的同位素，獲得了106量級的原子數(shù)，并通過飛行時間法測量了冷原子的溫度，對199Hg原子為50μK。

單束折疊光路與2012年首次觀測到超冷汞原子信號

  超冷汞原子同位素與飛行時間法測量冷原子溫度   　

2.大功率紫外冷卻激光系統(tǒng)研制（253.7 nm）

  為了提高汞原子捕獲效率，降低冷卻時間，小組研發(fā)了一套大功率（>100mW）、窄線寬（<100kHz）、可調(diào)諧冷卻激光系統(tǒng)（圖4）。種子光為自制外腔反饋半導(dǎo)體激光器，通過光纖放大可得到最大7W的基頻光輸出，然后進(jìn)行兩次倍頻。在此過程中，我們與上海光機(jī)所馮衍小組合作，發(fā)展了1014.8nm室溫運(yùn)行的光纖激光放大器，該方法已經(jīng)被國際上多個小組采用，大大提高了冷卻激光器的穩(wěn)定性。自制的1014.8nm半導(dǎo)體激光器經(jīng)過FP腔穩(wěn)頻和壓窄線寬，輸出功率為50mW，線寬為23kHz。兩級倍頻均采用環(huán)形折疊腔系統(tǒng)，第一級倍頻晶體為LBO晶體，在6.3W基頻光輸入時可以得到4.1W的二倍頻激光；第二級倍頻晶體為BBO晶體，最大可以得到1.4W的紫外激光輸出。              

3.超穩(wěn)超窄線寬紫外鐘頻激光系統(tǒng)研制（265.6nm）鐘頻探測需要超窄線寬和超高穩(wěn)定度的紫外激光。首先將一個1062.5nm的光纖激光器通過PDH穩(wěn)頻鎖定在一個ULE超穩(wěn)腔上（精細(xì)度約為46萬），實(shí)現(xiàn)亞赫茲線寬超穩(wěn)激光，通過光纖激光放大器放大到2W以上，單次通過PPLN晶體倍頻至531.2nm，再通過一個BBO晶體腔倍頻獲得3.7 mW的265.6nm紫外超穩(wěn)激光，可用于鐘頻躍遷的探測。1062.5nm超穩(wěn)激光通過光纖噪聲消除方法，傳遞到光學(xué)頻率梳系統(tǒng)，進(jìn)行絕對光頻的測量。

超穩(wěn)鐘頻激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，超穩(wěn)腔及其隔熱真空系統(tǒng)、PPLN晶體及溫控和531 nm-265.5 nm倍頻腔實(shí)物圖 

4.冷原子中鐘頻躍遷信號的探測

  實(shí)驗上利用時序程序控制紫外冷卻光和鐘頻光的開關(guān)，同時掃描鐘頻激光的頻率，獲得冷原子中的鐘頻躍遷譜線。圖6中紅線為無冷卻光時的鐘頻躍遷譜線，譜線的半高全寬570 kHz，對應(yīng)原子團(tuán)溫度100 μK。藍(lán)線為有冷卻光時的鐘頻躍遷譜線。通過比較兩條譜線的中心位置，可以測量獲得冷卻光引起的光頻移約為296 kHz。

冷原子中的鐘頻躍遷譜線 

5.魔術(shù)波長光晶格激光系統(tǒng)研制（362.57 nm）

  汞原子的魔術(shù)波長光晶格激光波長為362.57nm，需要將725.14nm大功率窄線寬激光倍頻獲得200mW以上的激光輸出。我們采用注入鎖定鈦寶石激光技術(shù)，將窄線寬的725nm半導(dǎo)體激光注入鈦寶石腔，經(jīng)過PDH穩(wěn)頻后，獲得瓦級725nm激光輸出，再通過一個LBO晶體倍頻腔倍頻獲得362.57nm激光。  

鈦寶石晶體及熱沉與注入鎖定鈦寶石激光系統(tǒng) 　　 　　

汞原子光晶格鐘的原理和結(jié)構(gòu)

  汞原子光晶格鐘的原理如圖5所示,將囚禁在一維光晶格中的超冷汞原子的鐘頻躍遷（199Hg原子的1S0→3P0躍遷，自然線寬100mHz）作為參考，用一個高穩(wěn)定度的光學(xué)本地振蕩器（超穩(wěn)激光，穩(wěn)定在超穩(wěn)參考腔上）探測獲得鑒頻信號，通過反饋控制來鎖定光學(xué)本地振蕩器，通過光學(xué)頻率梳測量鑒頻信號，并將鎖定后的光頻信號轉(zhuǎn)換為可輸出的微波信號。

  光鐘的運(yùn)行原理與汞原子光鐘相關(guān)的能級結(jié)構(gòu) 　　　

  汞原子光晶格鐘的總體結(jié)構(gòu)包括物理系統(tǒng)、冷卻激光系統(tǒng)、鐘頻激光系統(tǒng)、光晶格激光系統(tǒng)、抽運(yùn)激光系統(tǒng)和光學(xué)頻率傳遞測量控制系統(tǒng)等，如圖7所示。其中物理系統(tǒng)為原子介質(zhì)的制備和探測環(huán)境，光晶格裝載的原子數(shù)達(dá)到1000個，裝載周期約1秒。冷卻激光系統(tǒng)用于產(chǎn)生汞原子激光冷卻的紫外激光，同時也用于探測基態(tài)原子數(shù)，波長為253.7nm（1S0→3P1躍遷）。鐘頻激光系統(tǒng)用于鐘頻探測的超穩(wěn)紫外激光，波長為265.6nm（1S0→3P0躍遷）。光晶格激光系統(tǒng)用于產(chǎn)生魔術(shù)波長光晶格激光，波長在362.57nm附近。光抽運(yùn)激光系統(tǒng)用于鐘頻探測中的躍遷幾率歸一化，將處于激發(fā)態(tài)（3P0）的原子抽運(yùn)到基態(tài)（1S0），以探測激發(fā)態(tài)的布居數(shù)，需用三臺激光，波長分別為405nm（3S1→3P0躍遷）、546nm（3S1→3P2躍遷）和435nm（3S1→3P1躍遷）。光學(xué)頻率傳遞測量控制系統(tǒng)用于超穩(wěn)激光信號的光纖傳遞、測量和控制，消除光纖傳遞中附加噪聲，用光纖光學(xué)頻率梳測量超穩(wěn)激光的頻率，由原子的鑒頻信號反饋控制鐘頻激光的頻率。