研究人员成功简化光学原子钟设计且不损性能

研究人员展示了一种新的光学原子钟，其仅使用单个激光器，而且无需低温条件。

“在过去的二十年中，下一代原子钟的性能取得了诸多重大进步，”亚利桑那大学的研究小组负责人杰森·琼斯说道。

“然而，这些系统中的很多都不适用于现实世界。为把这项先进技术带出实验室，我们采用了一种简化设计，在其中，单个频率梳状激光器既充当了时钟的钟摆或滴答机制，又充当了跟踪时间的齿轮装置。”

频率梳——一种能发射数千种规则间隔的颜色或频率的激光器——对于原子钟和计时而言具有革命性意义。

在《光学快报》杂志上，琼斯和同事们 描述 了一种光学原子钟，该钟使用频率梳直接激发铷 - 87 原子中的双光子跃迁。他们指出，这种新设计实现了与配备两个激光器的传统光学原子钟相同的性能。

“这一进展还有助于增强依赖于卫星原子钟的全球定位系统网络，通过提高性能并让备用或替代时钟更容易获得，”该论文的第一作者塞思·埃里克森（Seth Erickson）说道。

“这也是让高性能原子钟走进日常应用乃至人们家中的开端，例如，这能够使电信网络在不同对话间迅速切换。这可能使许多人能够同时通过相同的电信频道进行通信并提高数据速率。”

在光学钟中，用激光激发原子的能级会致使原子在特定能级之间发生跃迁。这些跃迁的精确频率作为时钟的“滴答”，能够高精度地测量时间。尽管已经开发出便携式芯片级光学原子钟，但最精确和稳定的光学钟使用在接近绝对零度温度下捕获的原子，以最小化原子运动，这可以改变原子所经历的激光频率。

为避免对这种极端冷却的需求，琼斯及其同事使用了原子能级，该原子能级需要吸收两个光子——而非一个光子——才能跃迁至更高的能级。当光子从相反方向射向原子时，其中一个光子的运动效应会抵消另一个光子的所有运动效应。这使得能够使用温度为 100°C 的热原子，并显著简化时钟设计。

“这项工作的一项重大创新在于，我们不是从每个方向用单色激光向原子发射光子，而是从一个频率梳发出多种颜色的光，”琼斯说。

“使用来自频率梳的具有不同颜色的正确光子对，能让它们以与来自单色激光的两个光子相同的方式相加，从而以类似的方式激发原子。这消除了对单色激光的需求，进一步简化了原子钟。”

研究人员表示，商业频率梳以及像布拉格光栅这类强大的光纤组件在电信波长下的广泛可用性极大地促进了这种新设计的发展。他们使用光纤布拉格光栅将宽带频率梳频谱缩小到小于 100GHz，以铷 - 87 的原子跃迁为中心。这种经过窄滤波的频谱增加了频率梳输出与铷 - 87 原子激发光谱之间的重叠程度。

为了测试这种新方法，研究人员把两个几乎相同版本的新直接频率梳时钟和一个传统时钟做了比较，这个传统时钟包含使用额外的单频激光器。新时钟表现出一致的性能，在 1 秒时，其不稳定性为 1.9×10−13；在 2600 秒时，平均降至 7.8(38)×10−15。这种性能与传统时钟和其他使用单频激光架构的已发表结果相似。

研究人员当下正在努力改进他们的光学原子钟设计，让其更小、更能长期保持稳定，同时结合激光技术的新进展。直接频率梳方法也可以用于其他双光子原子跃迁，包括目前无法获得低噪声单频激光器的跃迁。