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国家授时中心高性能小型化CPT原子钟研究取得突破
时间 : 2021-08-25     
近日,中国科学院国家授时中心(NTSC)张首刚和云恩学研究员带领的原子钟研究团队研制出高性能小型化相干布居囚禁(CPT)原子钟,解决了高性能CPT原子钟难以小型化的瓶颈问题。

时间是目前测量精度最高的物理量,基于光晶格的锶原子光钟稳定度可达E-19量级,但是其体积过于庞大而不便于携带。科学家发现基于CPT的量子干涉效应,可以实现小型化和微型化原子钟。目前的芯片级原子钟就是基于CPT原理,体积与火柴盒相当,已应用于需要精密时间信号而又对体积、功耗、重量有严格限制的应用,如无人机巡航、便携式北斗/GPS接收机、水下资源勘探等。但是,目前实现的芯片钟频率稳定度仅在3E-10@1s水平,相当于运行100年累计误差不到1秒,在需要更高精度时间信号的应用中,如深空探测、卫星导航、高速通信、火灾与地下搜救、潜航器导航等,还需要大幅提升其频率稳定度。

为提升CPT原子钟性能,国际上多年前就开展了高性能CPT原子钟研究,其中法国巴黎天文台和贝桑松FEMTO-ST实验室研制了世界性能最好的CPT原子钟,其频率稳定度在2E-13@1s水平(即10万年积累误差不到1秒)。但是,他们采用了较为复杂的lin⊥lin CPT或push-pull CPT方案,导致了体积、功耗和重量的大幅增加,失去了CPT原子钟最大的优势,即体积小。

针对小型化与高性能的矛盾,国家授时中心云恩学(Peter Yun)研究员早在巴黎天文台工作期间,就原创性地提出高性能相干极化调制CPT原子钟方案。回国后,他进一步提出基于直接调制窄线宽半导体激光器和圆偏振CPT作用的方案,获得了国际一流的短期频率稳定度结果3.6 E-13 τ -1/2 (4 ~200 s),取样时间200秒达到1.8 E-14,该结果以题为《High-performance coherent population trapping atomic clock with direct-modulation distributed Bragg reflector laser》发表于精密测量领域权威杂志《Metrologia》。审稿人评价为“The work has merit of novelty to the extent that for the first time it demonstrates state-of-the-art short-term stability based on direct laser modulation, along with the potential to simplify the realization of high-performance CPT vapour-cell clocks!”(本工作新颖性在于第一次基于直接调制和简化的高性能CPT气泡型原子钟构型,展示了国际最好指标!)

更为重要的是,应用该方案将使CPT原子钟装置大为简化,可实现小型化、甚至芯片化的高性能CPT原子钟,将为微纳卫星编队组网、近地轨道通信、微型自主定位导航授时(Micro-PNT)等系统提供重要技术支撑。

该研究工作得到法国巴黎天文台Emeric de Clercq 和Stéphane Guérandel教授、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院顾思洪研究员、中国计量科学研究院刘小赤研究员的支持和帮助。

文章链接:https://doi.org/10.1088/1681-7575/abffde

图1:高性能小型化CPT原子钟实验构型与频率稳定度测试结果(图片来源于Peter Yun)