冷镱原子光钟绝对频率测量的关键技术研究

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1、2018届研究生博士学位论文分类号：学校代码：10269密级：学号：52132000013EastChinaNormalUniversity博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：冷镱原子光钟绝对频率测量的关键技术研究院系：精密光谱科学与技术国家重点实验室专业：光学研究方向：冷原子精密光谱学指导教师：徐信业教授学位申请人：韩成银2018年5月Dissertationfordoctoraldegreein2018Universitycode:10269StudentID:52132000013EastChinaNormalUniversityTitle:Studyonthe

2、keytechniquesoftheabsolutefrequencymeasurementincoldytterbiumopticalclocksDepartment:StateKeyLaboratoryofPrecisionSpectroscopyMajor:OpticsResearchdirection:PrecisionSpectroscopyofColdAtomsSupervisor:ProfessorXinyeXuCandidate:ChengyinHanMay,2018韩成银博士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称单位备注龚尚庆教授华东理工大学主席中国科学院上海高王中阳研究员等研究

3、院上海市计量测试技董莲研究员术研究院丁良恩研究员华东师范大学王加祥教授华东师范大学摘要摘要时间单位“秒”是国际单位制（SI）的七个基本单位之一，是目前测量精度最高的物理量。“秒”定义经历了一系列的变迁，1895年至1960年，“秒”定义采用地球时，即1s=1day/86400；由于地球自转的变化不能满足高精度需求，1960年，第十一届国际计量大会（CGPM）采用历书时定义“秒”，即1s=1year/31556925.9747；原子频标的发展能实现和重复更准确和精确的时间，1967年，第十三届CGPM采用原子时代替历书时定义“秒”，即未受到外界环境影响的133Cs原子基态两个超精细结构能级间跃迁

4、9192631770次的时间为1秒。“秒”长被定义为固定的数值，通过全世界铯原子喷泉钟（基准钟）实现守时。国际计量委员会（CIPM）随后选用其他一些原子和离子的跃迁频率作为“秒”的次级定义，这些未受外界环境影响的跃迁频率被定义带有相对不确定度的时间频率标准，规定它们的相对不确定度不能小于复现“秒”的不确定度。五十多年来，基于原子跃迁的微波频率标准不断发展，目前其不确定度和长期不稳定度均在10-16量级。近年来，基于光频的原子钟迅速发展，能达到10-18量级的频率不确定度和不稳定度，已经优于微波钟，从而有必要重新定义“秒”。光钟主要分为两类，一类是基于电磁阱的离子光钟，另一类是基于光晶格的中性原

5、子光钟。相比于离子光钟，光晶格光钟同时探测大量原子，具有更高的信噪比和更低的量子投影噪声，稳定度更优。光钟的绝对频率测量是光钟研究的重要内容之一。世界范围内的同类光钟通过绝对频率比较，可验证光钟运行的重复性和可靠性。光钟跃迁频率比微波钟跃迁频率高近五个量级。光梳的发明和应用，打通了微波频率至光学频率的链接通道。光钟绝对频率的测量，即将光学频率溯源到“秒”定义。一般需要光频参考到原子跃迁，光梳链接光频和微波频率标准，从而实现光频溯源到“秒”定义。光钟不仅能提高时间频率标准的精度，还能应用到众多的前沿研究领域，例如重力红移测量、物理常数随时间变化和相对论验证等。I摘要冷镱原子光钟是中性原子钟，类似

6、于锶、汞和镁等光晶格光钟。囚禁于光晶格中的镱原子奇同位素171Yb的1S30-P0跃迁频率是“秒”的次级定义。近十年，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室一直致力于两套冷镱原子光钟的研究，并已完成闭环锁定和系统不确定度的评估，其频率不稳定度5000s优于4×10-17，系统不确定度为1.7×10-16。目前正在开展冷镱原子光钟绝对频率测量的研究，正是本论文主要研究的内容。本论文主要针对冷镱原子光钟绝对频率测量的多项关键技术进行实验和理论研究。冷原子系统是光钟最主要部分之一，可靠地冷却、囚禁和探测冷原子对光钟稳定运行至关重要。为此，首先对激光冷却和囚禁镱原子开展了深入研究，特别是对一维光

7、晶格中冷镱原子的动力学行为进行了实验和理论研究。在实验上，不仅实现了镱原子的冷却、装载和态制备，而且还完成了钟跃迁谱探询，光钟的闭环锁定和同步比对。此外，采用PDH技术将649nm、770nm的抽运光和759nm的晶格光频率同时锁定在同一参考腔上，可以减小光钟系统的复杂度，提高集成化和运行的稳定度，为实现小型化光钟和可搬运式光钟提供技术支持。其次，搭建了一套新的超稳钟激光系统。钟激光的稳定度直接影