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研究方向

 
       经过近百年的发展,量子物理的相关理论和技术正逐步的影响现代人的生活模式。量子技术主要包括量子计量、量子通信、量子保密、量子传感等方面,其中原子钟是量子计量技术的主要研究方向。其是将本地信号源的频率锁定在量子参考体系稳定的跃迁共振频率上,作为一种高稳定高精度的时间频率计量设备,其已被广泛运用于航天、国防、国家标准计时等领域。1945年,Isidor Isaac Rabi 提出将磁共振技术运用到钟计量中[1],从此拉开了原子钟研究的序幕。1960年,Theodore H.Maiman 首次在实验上实现了一种相干光源-激光的稳定输出,此后,激光器也被运用于原子钟的研究之中。原子钟分为微波原子钟(简称微波钟)和光频原子钟(简称光钟),因光频段比微波段信号频率高出4~5个量级,从理论上证明光钟可以比微波钟做到更低的不确定度[2],如今实验证明也确实如此。
       到目前为止,全球已有几十家科研机构及院校致力于原子钟的研究工作,国际上主要有美国的国家标准与技术研究院(NIST)、天体物理研究所(JILA),英国的国家物理实验室(NPL),德国的联邦物理技术研究院(PTB),澳大利亚的西澳大利亚大学等,国内的主要有中国计量科学研究院、清华大学、华东师范大学、北京大学等单位,从事光钟的研究工作。根据报道,NIST于2013年实现世界上不确定度最低的铝离子光钟,JILA于2014年实现世界上不确定最低的锶原子光晶格钟,不确定度都达到10-18量级。
      
北京大学信息科学技术学院量子电子所的OFS小组(Optical Frequency Standard,OFS),致力于光钟的研究。小组研究方向包括小型钙原子束光钟(被动型),主动光钟,原子滤光器,精密激光光谱,稳频激光技术等方面,涵盖了该领域若干具有重要科研意义和使用价值的方向。经过十年的努力,OFS小组已经在光钟领域取得若干成果,包括:
    1.由陈景标教授于国际上首次提出主动光钟的构想[3],其理论证明:可实现mHz量级谱线线宽,结合目前光晶格光钟技术,可使其不确定度再降低2个数量级。小组提出的主动光钟方案有:铯原子四能级主动光钟,法拉第主动光钟,好坏腔一体化双波长主动光钟。目前已实现铯原子四能级主动光钟的受激发射钟信号输出。
    2.提出小型化钙热原子束光钟方案,并已研制了小型钙原子束光钟原型样机,成功实现闭环,秒级稳定度达到3*10-14.
    3.实现了Rb、Ca、Sr等原子的法拉第原子滤光器[4,6,7],并实现了对温度和电流免疫的780 nm法拉第原子滤光器稳频激光器[5]。
    
如今,OFS小组将继续致力于光钟的研究,在之前的成果之上进一步深入,同时也不断开拓这一领域内新的研究方向。

相关链接:Jun Ye Group, JILA,  http://jila.colorado.edu/YeLabs/         
        NIST, 
http://www.nist.gov/pml/div688/grp80/index.cfm  
 

参考文献
[1]Isidor I. Rabi, "Radiofrequency spectroscopy" (Richtmyer Memorial Lecture, delivered at Columbia University in New York, New York, on 20 January 1945)
[2] Fritz Riehle, Frequency Standards,9-10,2004
[3]Chen Jingbaio,Active Optical Clock,Chinese Science Bulletin,54,pp.348-352,(2009)

[4]Qinqing Sun,Wei Zhuang,Zhiwen Liu,and Jingbiao Chen,Electrodeless-discharge-vapor-lamp-based faraday anomalous-dispersion optical filter, Optics letters, (2011) Vol.36 No.23:4611-4613
[5]Xinyu Miao, Longfei Yin, Wei Zhuang, Bin Luo, Anhong Dang, Jingbiao Chen, and Hong Guo,Demonstration of an external-cavity diode laser system immune to current and temperature fluctuations,Rev. Sci. Instrum., 82(8), 086106 (20110818).

[6]Qinqing Sun, Yelong Hong, Wei Zhuang, Zhiwen Liu, and Jingbiao Chen,Demonstration of an excited-state Faraday anomalous dispersion optical filter at 1529 nm by use of an electrodeless discharge rubidium vapor lamp,   Appl. Phys. Lett. 2012, vol.101, 211102,DOI: 10.1063/1.4767140.

 


 

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