从光学波长到微波频率基准:光学波长标准 - 飞秒光梳频率列 - 铯原子微波频率基准 - 光钟中国计量科学研究院(NIM) 量子处李天初, 方占军电话: (10) 6429 5811, e-mail: litch@摘要: 迄今, 光学波长依赖于传统的光学谐波波长链溯源到铯钟微波频率基准。

本文简略介绍中国计量院量子处保存和在研的激光波长标准, 报导我们研制新一代NIM4＃"激光冷却-原子喷泉"微波频率基准铯钟和"飞秒脉冲激光-光学梳状频率"的原理和进展。

冷原子喷泉钟将使我国频率基准不确定度进入10-15。

飞秒梳状频率使光学波长和微波频率直接准确地联系起来。

上述两项课题将改变我国光学波长标准和溯源系统的基本格局, 使得光学波长计量发展到一个新水平。

同时, "飞秒梳状频率"与"原子/离子存储光学频率标准"的结合, 将推动"光钟"的发展.关键词:冷原子喷泉钟; 飞秒光梳; 微波频率基准; 光学波长标准.1, 稳频激光光学波长标准 －实际复现米定义1983年, 国际计量大会(CGPM)颁布了新的米定义，将长度单位米定义为光波在一定时间间隔传播的真空距离[1], 并陆续推荐了十二条光辐射波长, 作为光学波长标准[2]。

在CGPM推荐的标准波长中, 利用饱和吸收技术将He-Ne激光频率锁定到127I2的115-5, R(127) 跃迁a i峰的633nm波长[3], 由于其结构简单、使用广泛、准确可靠而成为最常用、最常规的光学波长标准。

中国计量院(NIM)自70年代就开始了激光稳频的研究。

目前NIM保存着碘稳频633nm He-Ne激光波长标准, 不确定度为5x10－11(2σ)。

我们正在改造更新He-Ne激光543nm 波长标准, 开展碘稳频Nd:YAG激光倍频532nm波长和乙炔稳频半导体激光1542nm 波长标准的研究。

通过定期参加国际比对, 检验波长标准准确性, 我们保持着中国光学波长与国际量值一致。

2, 时间/微波频率基准 － NIM4# 铯冷原子喷泉钟1983年米定义意味着在计量的意义上米已经不再是一个独立定义量, 而是溯源到时间单位--秒。

随之, 光学波长也溯源到微波频率基准－铯原子钟。

依照1967年CGPM通过的定义, 秒是铯133同位素原子基态两个超精细能级对应辐射的9,192,631,770个周期[4]。

秒由于复现准确度高, 传递使用方便而成为国际单位制(SI)七个基本单位中使用最广, 计量意义最重要的基准量.NIM在八十年代建成磁选态铯束时间频率基准－NIM3#铯钟, 不确定度3x10－13[5]。

目前, 我们正按照当今国际最先进的原理, 研制NIM4# "激光冷却-铯原子喷泉"钟。

冷原子喷泉钟利用六束正交的激光在一个高真空腔中俘获并冷却原子。

然后通过激光频率失谐形成向上运动的行波"光学黏胶", 推动冷原子云上抛, 继而在重力场作用下自由回落。

利用氢原子钟(H maser)作为频率参考源, 经频率综合生成高质量9.19GHz微波。

原子云在上抛回落过程中两次与同一微波腔中的9.19GHz TE011微波场作用, 发生钟跃迁。

回落原子云与探测激光作用产生荧光。

携带钟跃迁误差信息的荧光信号被探测器接收, 经计算机处理, 反馈控制微波频率, 输出标准频率[6]。

传统铯钟铯束流温度~150o C, 铯原子热运动速度高达~150m/s, 因而产生多普勒频移。

冷原子钟利用激光冷却将原子速度减低到2~3cm/s。

在这样的超低温下, 多普勒频移大大减小。

传统铯钟的原子束依次通过两个独立的微波场, 产生兰姆森条纹。

喷泉钟的原子云上抛和自由回落过程中两次通过同一微波腔, 避免了两个腔不一致引入的腔相位差频移。

喷泉钟原子云上抛初速度3~4m/s, 远小于传统铯钟~150m/s的铯束流速度, 使两次与微波作用之间的渡越时间增加了100倍，导致1~2Hz的超窄Ramsey条纹, 提高频率锁定精度。

传统铯钟借助磁场赛曼效应实现原子选态, 不仅原子利用率低, 而且选态强磁场导致Majorana跃迁引起的频移; 冷原子钟利用光选态, 原子利用率高, 有效改善了信号信噪比, 同时避免了强磁场带来的误差。

冷原子喷泉钟利用当代最先进的科学技术成果, 从原理上克服了铯束钟的几项重要误差源, 改善了信噪比, 将时间频率基准的不确定度提高到一个新水平[6]。

我们于1998年实现了激光冷却磁光阱-光学粘胶原子云。

2001年获得原子云"飞行下落"荧光信号, 并将原子冷却到5~9µK[7]。

2002年初最终构建了完整的喷泉钟本体, 实现了原子云上抛; 微波与上抛-回落原子云作用; 12月在国内首次在冷原子喷泉上实现微波与冷原子作用的Ramsey跃迁[8]。

图1显示一组NIM4#钟Ramsey曲线: 原子云上抛74cm, Ramsey条纹HWHM宽度~0.95Hz。

2003年1月将9.19GHz微波锁定到NIM4#钟铯冷原子的秒定义跃迁。

图2为H-maser对NIM4#钟锁频典型实验曲线, 锁定时间秒(从月日到月日), 数据的Allen方差: 2x10-13/秒, 4x10-14/10000秒.在研制激光冷原子钟的过程中, 涉及复杂的技术和多方面的困难, 然而: (1)捕获足够数量的原子并冷却到超低温; (2)上抛冷原子云并获取信噪比良好的回落信号和(3)实现微波与上抛-回落原子云作用是三个关键技术台阶。

我们已经掌握了这三项关键的基础理论和核心技术。

希望在不久的将来通过误差评估确定和修正系统误差, 使NIM4#钟锁定频率不确定度进入10-15量级, 建成我国新一代具有国际先进水平的时间频率基准装置。

3, 光学梳状频率 －直接联系光学波长与微波频率迄今, CGPM推荐的标准波长都是直接或间接地依靠"谐波光学频率链"溯源到铯原子微波频率基准, 溯源不确定度在10-10 ~ 10-12量级。

谐波光学频率链是复杂、昂贵而庞大的装置[9]。

中国计量院在八、九十年代曾立题研制光频链, 耗时十年, 终于半途放弃。

1999年, 德国马克思-普朗克(Max-Planck)研究所的Dr. T.Hansch小组提出并实现了"锁模飞秒脉冲激光-晶体光子光纤-梳状光学频率列", 一举将全部可见-近红外光波波段与铯钟微波频率直接联系起来[10].中国计量院正在研究建立飞秒梳状光学频率列(fs光梳)装置。

我们用Nd:YAG倍频激光(Coherent Verdi-V8)泵浦掺钛蓝宝石激光(GigaOptics GigaJet20)发出超窄脉冲列。

脉冲宽度~25fs, 脉冲重复频率f r ~1GHz, 中心波长~810nm。

按付立叶变换, 在时域的窄脉冲列, 相当于频域的等间隔梳状频率列, 其频率间隔等于时域脉冲重复频率f r。

因为实际应用的激光脉冲不可能实现无限窄, 所以频域的光频率梳也不是等幅, 即光梳覆盖范围不是无限宽, 一般在30nm左右。

为了进一步扩展梳状频率列的覆盖范围, 将fs激光输出的脉冲引入一段"晶体光子光纤", 利用高功率密度的超窄光脉冲在光纤蜂窝状芯区产生强非线性效应, 将光梳覆盖范围扩展到超过一个倍频程, 500 - 1100nm, 从而在覆盖几乎全部可见和近红外的频段内产生~106个分立的频率, 组成光学频率梳(图3)。

光梳中第n个模的频率为:f n = n f r + f0, (1)式中f0为频率列的初始频率偏移.下一步我们将利用上节所述NIM4#钟作为标准频率锁定梳状频率。

利用PLL将蓝宝石激光的脉冲重复频率f r锁定到铯钟微波频率, 相当于在频域锁定了梳状频率列的频率间隔(图3)。

将梳状频率列低频端频率倍频, 得到含有初始频率偏移f0信息的2 (f0＋n1 f r), 与频率列高端的频率(f0＋2 n2 f r)= (f0＋2 n1 f r)差拍, 得到:(f0＋n1 f r) - (f0＋2 n1 f r) = f0. (2)2将f0也锁定到铯钟频率, 从而锁定整个频率列的初始绝对频率(图3)[11]。

于是得到准确、覆盖整个可见-近红外波段、间隔1GHz的标准光学频率梳。

任何一个落在上述光梳范围的波长λM, 和这个梳状频率列差拍, 通过低通滤波器, 都会产生一个小于f r/2= 500MHz的频差∆f。

根据被测波长的预估值判定频率梳中产生差拍的相应第m次模式的频率(f0＋mf r), 准确测量∆f, 立即得到被测波长的准确值λM:f m = (f0＋mf r) + ∆f, (3)λm = C/f M, (4)式中f m为被测光频率; C表示真空光速.由于fs光梳本身频率锁定的跟踪能力非常高, 由于我们正在研制的NIM4#铯钟预计不确定度高达10-15量级, 因此期望梳状频率列可以以10-13的不确定度直接校准/检定被测波长。

预期fs光梳将会改变我国光学波长标准-传递系统的格局, 促进波长计量发展到一个新水平。

4, 光钟 – 下一代频率基准？"fs激光梳状频率"将微波频率基准与光学频率/波长"相位相干"地联系起来, 一方面提供了光学波长向微波频标的直接、可靠、准确溯源, 一方面也为光钟的实用化铺平了道路。

早在80年代, 人们就认识到利用激光冷原子/离子存储技术锁定超窄线宽激光，可以得到极其稳定的光学频率。

到九十年代, 激光线宽已经压缩到小于0.6Hz; 199Hg+ (282nm), 40Ca (657nm) 等光学频率的稳定性和复现性已达到10-15~10-16, 并有10-18的潜力[12,13]。

但是, 不同光波之间和某一光波与铯微波频标之间的频差测量都是极其庞大复杂, 价格昂贵的工程, 成为光频标实际应用的障碍。

fs光梳的出现, 由于其先天原理上的巧妙和优越, 一举提供了一个准确实用、价格可以接受的"光学频率综合器"。

正是由于fs 光梳的研制成功和迅速推广应用, 使"冷原子/离子存储稳频的光频标"与"fs光梳"结合组成"光钟"[14]。

光钟的研究是2002年以来国际计量发展的一个新热点。

5, 感谢衷心感谢科技部基础研究项目对NIM4#冷原子铯喷泉钟、fs光梳、532nm波长标准, 自然科学基金对532nm和1.5µm 波长标准的支持.衷心感谢中国计量院量子处波长组、光频组、铯钟组、光电子组的出色研究工作.[参考文献][1] "Resolution 1, "17th CGPM (1983), <Metroiogia> V20p25 (1984).[2] "Recommendation 1" (CI-1997), CIPM (1997), <Metrologia> V32p (1998).[3] T.Quinn, "Results of recent international comparisons of national measurement standards carried out by the BIPM," <Metrologia> V33P271 (1996).[4] Resolution 1, 13th CGPM (1967-1968), <Metrologia> V4P43 (1968).[5] 李明寿等, <计量学报> N8p259 (1987).[6] A.Clairon et al, "A cesium fountain frequency standard: preliminary results, " IEEE Trans. IM44p128 (1995).[7] 李天初, "NIM铯原子喷泉实现磁光阱-光学粘胶原子云并冷却到10 µK," <计量学报> V22N3p239, (2001).[8] 李天初等, "NIM4#铯原子喷泉实现Ramsey跃迁和频率锁定," 已投<计量学报>, (2003).[9] D.A.Jennings et al and J.L.Hall, "Direct frequency measurement of the I2-stabilized He-Ne 473 THz (633nm) laser," <Opt. Lett.> V8p136 (1983).[10] Th.Udem et al and T.Hansch "Absolute optical frequency measurement of the Cesium D1 line witha mode-locked laser, " <Phys. Rev. Lett> N82p3568 (1999).[11] R.Holzwarth, Th.Udem and T.W.Hansch, <Phys.Rev.Lett.> V85p2264(2000).[12] R.J.Rafac et al, D.G.Wineland and J.C.Bergquist, "Sub-dekaherth ultraviolet spectroscopy of 199Hg+," <Phys. Rev. Lett.> N85p2462 (2000).[13] C.W.Oates et al, "Improved short-term stability of optical frequency standards: approaching 1 Hz in 1s with the Ca standard at 657 nm," <Phys. Rev. Lett> N82p3568 (1999).[14] S.A.Diddams et al, "An Optical Clock Based on a Single Trapped 199Hg+ Ion," <Science>N293p825 (2001).N4/(N3+N4) 1.00.50.0-60 0 60 (Hz)图1, 一组NIM4#钟微波与冷原子作用的Ramsey跃迁曲线。