国家自然基金标书-光频标关键物理问题与技术实现.DocVIP

项目名称： 光频标关键物理问题与技术实现 首席科学家： 高克林 中国科学院武汉物理与数学研究所 起止年限： 2012.1-2016.8 依托部门： 中国科学院 一、关键科学问题及研究内容 1、拟解决的关键科学问题 决定原子光频标的准确度和稳定度的因素主要是谱线的宽度和稳定性、伺服系统的信噪比和外界环境以及物理效应的影响。而影响原子谱线精确度的根源，在于环境对原子能级的干扰以及与原子运动有关的各种效应，而稳定度取决于这些因素随时间的变化关系。与环境隔离（离子阱和光晶格囚禁）或将原子冷却（冷原子）就是主要的手段。而随着频率稳定度提高，在更高阶水平上一些更细微和新的影响因素将显露出来，如多体碰撞效应、黑体辐射效应、Dick 效应、量子噪声、相对论效应等。 为此本项目拟解决的关键科学问题： 激光冷却与操控原子新的物理机制与方法，有效的冷原子（离子）的制备和控制方法；影响原子光频标准确度和稳定度的高阶小量的物理因素和克服途径，如冷原子碰撞和黑体辐射的物理研究及其对光频标的影响；极端条件下不同物理起源的噪声理论，用于原子跃迁谱线探测的超窄线宽激光的激光物理；光频的精密测量和传输；类碱金属原子和奇同位素离子的光频标机理；新原理和新方法用于提高原子光频标精确度的可能性，探索量子逻辑原子光频标的机理。 2、重要研究内容： 1） 囚禁离子光频标 目前Ca+ 离子光频标达到10-15的量级，与理论可能极限优于10-17还有一定的差距。为此开展高精度Ca+ 离子光频标的研究：通过囚禁离子量子态的实现和操控，实现囚禁离子的更有效冷却；通过两个阱中囚禁离子光频的比对实验，进一步研究外场和环境对离子光频跃迁的影响和克服方法；探索利用奇同位素离子形成高精度光频标的可能性。 开展量子逻辑Al+光频标的研究：影响量子逻辑高保真度运行的离子退相干机制；利用拉曼边带冷却方法快速有效地将离子的运动冷却到量子振动基态的技术实现；基于量子逻辑Al+ 离子光频标系统误差的精密测量和估算。 2） 光晶格中冷原子频标 Yb原子光频标的研究已达到10-16量级，但与极限有差距。为此可以开展探索实验：采用新的亚多普勒冷却突破多普勒冷却极限，获取超冷Yb原子；光晶格中长时间囚禁更多冷Yb原子提高光钟信噪比和消除冷原子碰撞频移；消除黑体辐射频移的方法。 3）超窄线宽激光：超窄线宽激光的实现，导致光频标的不确定度向更高精度迈进。重点开展细微的物理和环境效应研究，突破亚Hz线宽。同时提高激光的频率稳定性；研究激光稳频系统中的频率噪声机制；探索进一步降低稳频激光频率噪声、提高频率稳定性的新方法、新技术。??? 4）宽谱低噪声光纤飞秒光梳：高重复频率光纤飞秒激光频率梳是光频标研究和未来光频传递比对研究中不可或缺的重要光学频率综合器。为此重点研究如何降低光纤飞秒激光频率梳的相位噪声，通过确定噪声来源，电路反馈控制噪声源等技术手段，抑制环境、温度、电流等对光纤光梳造成的影响，进一步降低相位噪声。 5）原子频标中的基础理论与新方案： 光频标发展到如此精密的程度，它精度的极限在哪里？影响精度的物理与技术因素是什么？如何突破现有的精度极限？由此可探讨光频标所需的精密光谱计算和各种实验误差的物理来源与控制；光频标系统的各种量子效应的内在机制与调控应用，特别是量子噪音的极限与突破和多体量子效应的内在机制与调控应用；以及光频标的新原理与新方法。 二、预期目标 总体目标：研究原子光频标相关的基础物理问题和关键技术；在新原理原子频标的方案研究和技术实现方面有所创新和突破；力争在我国建立高精度的原子光频标，并以此推动我国精密测量物理的研究。 五年预期目标：原子频标的发展面临许多的挑战和机会，需要不懈的努力和探索，以及雄厚的技术积累和储备。本项目将选择冷原子和新原理光频标作为主攻方向，掌握原子光频标的若干关键技术，取得研究上的重要突破和进展。建立起光钟频率的不确定度优于10-16的冷原子光频标系统：建立囚禁冷却40Ca+ 离子光频标，扩展为43Ca+ 光频标。建立光晶格囚禁冷却Yb原子光频标。初步建立囚禁冷却Al+ 离子量子逻辑光频标。同时，培养一支研究骨干队伍，形成国内重要的研究基地，为发展我国的原子频标的长期目标打下扎实的基础。 具体目标： 通过对细致的物理和环境效应的研究，以及两个阱的比对实验，研制成不确定度优于10-16量级的Ca+ 离子光学频率标准;并探讨奇同位素Ca+ 离子光频标的可能性。 研究冷原子运动和量子态的精密操控方案；初步建立囚禁冷却Al+ 离子量子逻辑频标。 优化冷Yb 原子钟态跃迁谱，特别是光晶格囚禁原子的特性。实现对激光频率的锁定，获得不确定度优于10-16数量级的冷Yb 原子光学频率标准。 研制用于新一代光钟的高稳定、实用的光频本机振荡器。建立激光锁频系统剩余频率噪声的模型