摘要：锶原子光晶格钟在基础物理研究和时间频率精密测量领域中占有重要的地位。中国计量科学研究院在第1套锶原子光晶格钟NIM-Sr1的基础上,开展了进一步提升光钟性能的研究,研制出了第2套锶原子光晶格钟NIM-Sr2。NIM-Sr2的物理系统在量子参考体系制备、钟激光探寻及系统频移评估等方面进行了重新设计。在原子炉和磁光阱之间新增真空差分结构,使原子炉的运行对磁光阱区域真空压力的影响降低到1×10^(-8) Pa;将塞曼减速器中的通电线圈替换为永磁铁,优化了水冷反亥姆霍兹线圈的缠绕方式,并向外延伸塞曼减速器通光窗口,把磁光阱区域环境温度的不均匀性降低到了0.166 K。系统频移评估表明,这些物理系统的改进显著减小了NIM-Sr2的系统频移不确定度,达到了7.2×10^(-18)。

摘要：光钟在生成高性能原子时标方面有很大的潜力。本文介绍了以中国计量科学研究院(NIM)的NIM-Sr1光晶格钟为参考生成本地时标的基本思路,评估了实验室目前用作飞轮振荡器的HM57氢钟的噪声参数。针对NIM-Sr1光晶格钟作为基准钟长期间歇运行时的运行率和时间分布,设计了对测量数据的分段处理方式。通过对2022年9月和10月NIM-Sr1光晶格钟与HM57氢钟比对数据的后处理,生成了光钟驾驭的纸面时标TS(P),其在60天内相对于TT(BIPM22)的最大时间偏差为0.7 ns,验证了驾驭方法的可靠性。搭建了以NIM-Sr1光晶格钟为参考驾驭HM57氢钟生成本地实时物理时标的实验系统,并评估了2023年4月生成的实时物理时标TS(R)的性能,其在30天内相对于UTC的最大时间偏差为0.89 ns。

摘要：为了满足移动测量、异地时钟现场比对等需求,小型化可移动光钟逐渐成为研究热点,但在车载平台等典型工作环境中,振动噪声将对光钟物理部分探测光学系统的光束偏转角产生影响,从而引入频移。为抑制光束偏转角变化对光钟稳定性的干扰,首次提出一种适用于光钟物理部分的探测光学系统的隔振系统设计方法,包括计算系统基座振动与作用于原子的光束偏转角的定量关系及由此引入的光钟稳定度、实测带有测试方舱的车辆底座的振动噪声、基于光钟稳定运行对振动的要求设计三维隔振系统的结构及性能参数等主要步骤,并给出了以TS-300型主动式隔振台和500BM-1型被动式隔振台构成垂直隔振系统时的详细设计过程。仿真结果表明,当光钟位于静止的测试车方舱中心时,使用该隔振系统后由振动导致的光束偏转角对稳定度的贡献不大于2.94×10^(-15)τ^(-1/2),通过优化隔振系统,稳定度可达到1.12×10^(-15)τ^(-1/2)。

摘要：随着飞秒光梳和超稳激光技术的发展,无论是基于晶格原子还是离子的光钟,因其不确定度指标已超越复现国际单位制秒定义的铯原子喷泉钟,而成为下一代秒定义最具影响力的候选方案。相较于探测原子数目较大而在稳定度占优势的光晶格钟,离子光钟受到的环境扰动更小因而准确度更高。镱离子光钟拥有两条成为次级秒定义的钟跃迁谱线,且囚禁时间长达数月,其八极跃迁谱线自然线宽在nHz量级。另外,镱离子的冷却、重泵、探测等激光均可通过半导体激光器直接获得,镱离子光钟系统具有更好的应用前景。本文着重介绍中国计量科学研究院搭建的镱离子光钟的物理和光学系统,采用端帽阱囚禁单离子,各频率激光通过光频梳实现锁定。

摘要：为实现锶原子光钟的空间应用,采用永磁体塞曼减速器,可有效规避塔状线圈造成的高功耗和体积占比大的问题,利于光钟的空间化发展。基于永磁体构建锶光钟的环状和柱状塞曼减速器,在减速原理、磁场构建和样品研制方面各有优劣,利用多普勒测速法可对两种减速器的减速效率进行测量,可将两种减速器的减速分布曲线累计分布后对比。实验结果表明:两种永磁体塞曼减速器都达到一定减速效果,但环状永磁体塞曼减速器在体积和减速效果上,相较单x方向的柱状永磁体塞曼减速器,体积减少了60%,重量减少了80%,减速效果部分区域效率高一倍,因此优势更为显著。进一步采用环状永磁体塞曼减速器俘获锶原子的三种同位素,完成了小型化锶原子光钟的一级俘获,满足零功耗、体积小的紧凑化光钟设计需求。

摘要：高精细度超稳光学参考腔是获得超窄线宽激光的核心部件.本文报道了面向空间应用的高精细度球形超稳光学参考腔自主化研制及其初步测试结果.设计球形腔体直径为80 mm,腔长78 mm,采用平-凹腔镜结构,凹镜曲率半径为0.5 m.使用有限元方法计算了该参考腔的震动敏感度,最佳支撑位置的震动敏感度小于1×10^(-10)/g.采用超光滑表面三级抛光技术实现光学表面粗糙度小于0.4 nm(rms)的超精密加工,采用双离子束溅射法实现工作波长反射率大于99.999%、损耗小于4 ppm腔镜镀膜,干式光胶方法键合腔体和腔镜.利用扫腔线宽法和腔衰荡法对参考腔的线宽和精细度进行了测量,结果表明该参考腔的精细度约为195000,线宽为9.8 kHz.将698 nm半导体激光器锁定到该参考腔上测得其损耗<5 ppm.与实验室进口同类型参考腔相比较,主要性能指标与其相当.

摘要：在时间的精确测量领域,超冷原子光晶格钟具有最佳的精确性和稳定性,但其中的原子束准直器需要进行优化设计。本文依据光钟系统微型化的切实需要,利用表面等离激元效应对局部电磁场的增强效应,设计了新型的银-石英复合结构的准直器,并对器件的内部光场和准直效果做了理论分析和数值模拟。

摘要：在时间的精确测量领域,超冷原子光晶格钟具有最佳的精确性和稳定性;其中的磁性器件至关重要。本文依据光钟系统微型化的切实需要,利用表面等离激元效应对局部电磁场的增强效应,设计了微型磁性器件,并对器件的电磁性能做了理论分析和数值模拟。

摘要：在锶原子光晶格钟中,黑体辐射效应对光钟的频率不确定度影响最为显著。利用表面等离激元晶体的滤波特性,屏蔽大部分黑体辐射能量,可以显著减少相应频移量及其涨落。通过对设计器件透射谱的分析可以测算,经滤波后的黑体辐射剩余能量约为初始能量的4.8%,则锶光钟的黑体辐射频移可减小至112.6mHz,相应不确定度约为3.6×10-18。