主动光频标

 

1. 背景

 

 近十年来，光频原子钟的研究取得了重大进展，目前已经在单离子光钟和光晶格钟上实现了10-18量级的频率不确定度和稳定度指标 [1,2]，然而，由于被动式光钟的本振激光PDH锁频系统结构复杂、有些超腔需工作在极低温环境下，并且锁频激光系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长噪声，将光学频率标准的输出线宽进一步提高到毫赫兹量级仍面临巨大挑战。

 

 为了突破被动光频标的限制，北京大学原子钟小组于2005年首次提出了主动光频标 [3-5]的概念和原理：一种通过光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射的新型光频标，可实现超窄线宽光频标。主动光钟自提出以来受到了国际同行的关注，在2015年IEEE国际频率控制会议上，被列为本领域三项最受关注的新兴技术之一。美国JILA研究组引用我们的文章并提出： 主动光钟有可能比目前最优的光钟稳定度还提高两个量级。目前多个研究组：美国天体物理学联合实验研究所、美国国家标准技术研究所，奥地利维也纳科技大学研究组，丹麦尼尔斯—玻尔研究所，奥地利因斯布鲁克大学，德国莱布尼茨研究所, 台湾中央研究院物理所，上海交通大学等，都开展了基于不同原子体系的主动光钟方案[6-13]研究。

 

 高性能的主动光频标既可以作为独立的激光频率标准，也可以由光梳或FP腔传递为其它精密测量提供不同频段的窄线宽激光光源；结合PDH稳频技术，主动光钟在原理上可突破mHz线宽激光技术，从而推动光频精密测量领域的发展。

 

  好腔激光器的腔模线宽远小于介质增益带宽，由于模式竞争最接近介质增益峰值的腔模得以输出，但由于外界环境的影响，激光器的腔长会发生抖动，这同时引起腔模的抖动，使得输出激光模式的线宽和频率稳定性都不好。而在坏腔模式下，腔模线宽是远大于介质增益带宽，此时即使腔长抖动也能保证窄线宽信号的输出，此方案削弱了腔牵引效应，输出激光的线宽窄，理论上可以达到mHz量级。 综上，主动光钟与传统被动光钟相比具有以下三点优势：（1）可以有效地抑制腔牵引效应；（2）原子跃迁谱线的受激辐射输出光直接作为量子频率标准；（3）输出激光的线宽窄，理论上可以达到mHz量级。

图 1. 被动光钟（上）与主动光钟（下）的工作方式 

光钟的概念，世界上各研究小组提出了多种方案，然而基于三能级的主动光钟输出线宽受限于泵浦光带来的光频移，为了解决这一问题，我们研究组提出了基于Cs原子四能级主动光钟方案。通过459 nm激光将原子泵浦到7P1/2态，并在7S1/2能级与6P3/2能级间产生粒子数反转，实现了1469.9 nm的受激辐射输出光。通过将泵浦能级与受激辐射的相关能级分离，降低泵浦光引起的光频移问题。北京大学光频标研究组于2013年在国际上首次实现了主动光钟受激辐射输出，在腔长没有锁定的情况下，在基于Cs原子四能级主动光钟的实验研究上，通过两套Cs原子四能级主动光钟拍频，测得每套系统受激辐射输出线宽为2.12kHz。这种方案有望将光晶格钟的稳定度提高2个量级，从而使光钟的应用更趋于广泛。 

 

2. 四能级主动光频标

 

         基于Cs原子四能级主动光钟 [14-16]方案能级结构如下图。通过459 nm激光将原子泵浦到7P1/2态，将7S1/2态辐射到6P3/2态的1469.9 nm激光作为钟激光输出。通过将泵浦能级与受激辐射的相关能级分离，降低泵浦光引起的光频移问题。我们研究组于2013年在国际上首次实现了主动光钟受激辐射输出，在腔长没有锁定的情况下，在基于Cs原子四能级主动光钟的实验研究上，通过两套Cs原子四能级主动光钟拍频，测得受激辐射输出线宽为1 kHz。

 

图 2. Cs原子能级结构

 

 

 

 

图 3. 1470 nm输出光的阈值特性（左）和温度特性（右）

 

 

 

 为进一步提高输出钟信号的稳定度和压窄线宽，我们实验组将做进一步改进：
（1）全部换用一体化机盒，减小外界环境干扰；
（2）屏蔽外界磁场；
（3）改变腔镜反射率，研究腔镜对称性对输出信号的影响，不断优化实验结果，压窄输出线宽，提高主动光钟钟信号的稳定度。

 

 

图 4. 实验系统

 

 

 

 

3. 好坏腔双波长主动光钟

 

  在对铯原子采用459nm激光泵浦,在已初步实现1470 nm主动光钟输出的实验基础上, 在主动光钟的双波长谐振腔中加入专门设计的Nd:YAG晶体, 实现1064 nm和1470 nm双波长共腔同时输出且共用同一谐振腔的主动光钟系统 [17-19]。其中Nd:YAG 1064 nm波长对应的布居数反转量子体系的增益线宽约为132 GHz,明显大于腔模线宽(即工作在好腔范围),并采用PDH稳频方案将1064 nm输出线宽压窄到 1 Hz量级,从而实现主动光钟谐振腔腔长的锁定。同时, 铯原子四能级主动光钟1470 nm输出波长对应的布居数反转量子体系的增益线宽只有10 MHz左右,明显小于腔模线宽(即工作在坏腔范围), 从而实现腔牵 引效应的弱化(具体目标将谐振腔的长度噪声降低20 倍左右)。这样,作为主动光钟钟跃迁信号的1470 nm输出将在PDH稳频的基础上,利用主动光钟的腔牵引效应弱化机制,实现mHz量级的输出线宽。基于铯原子四能级量子系统的 1064 nm和1470 nm好坏腔共腔双波长主动光钟除了其超窄线宽和腔牵引效应弱化优势之外,还具有光频移小、布居数反转容易、原子数密度高、受激辐射强度大、可以拓展到激光冷却和囚禁原子上等优点,从而为最终实现10-18量级的频率不稳定度打下坚实的基础。

 

3.1. 实验系统

 

 将铯原子四能级量子系统与Nd:YAG激光器相结合,搭建1064 nm和1470 nm 好坏腔共腔双波长主动光钟实验系统,采459 nm激光泵浦,实现1064 nm和1470 nm好坏腔共腔双波长输出。具体能级图如下图所示。

 

 

图 5. 1064 nm 和1470 nm 能级结构

 

 利用459 nm蓝光激光将玻璃气室中铯原子从6S1/2基态持续泵浦到7P3/2态上,实现7S与6P之间布居数反转。我们前期理论计算结果显示,设计特殊的F-P腔结构(激光谐振腔的腔模线宽远大于激光增益介质的增益线宽,即坏腔结构),将铯原子泡置于坏腔之中。实现 7S1/2态和 6P3/2态的原子布居数反转的原子在坏腔作用之下产生受激辐射,受激辐射达到阈值后在腔内形成稳定的振荡,输出 7S1/2态跃迁到 6P3/2态对应的1470 nm主动光钟输出。

 

 在此基础上,在主动光钟的谐振腔内加入Nd:YAG晶体作为好强激光的增益介质,使以Nd:YAG晶体为增益介质的1064 nm波长受激辐射和以Cs原子四能级系统为增益介质的1470 nm波长受激辐射共用同一个谐振腔,实现主动光钟的双波长输出。其中1064 nm输出光增益线宽约为132 GHz，1470 nm输出光的增益介质是459 nm选速泵浦后的实现布居数反转的铯原子,其增益线宽约为10 MHz。通过对谐振腔两片腔镜进行专门的按不同波长要求进行镀膜设计,我们可以实现1064 nm输出光的腔模线宽远小于其增益线宽,同时 1470 nm 输出光的腔模线宽远大于其增益线宽,从而保证1064 nm和1470 nm输出信号分别工作在好腔区域和坏腔区域。1064 nm和1470 nm好坏腔共腔双波长主动光钟实验系统原理图见图6，为了得到两套系统最终的输出线宽，我们搭建了两套一体化装置，具体实验装置如图 7所示。 

 

 

图6. 铯原子四能级好坏腔双波长主动光钟实验系统原理图。M1（平面镜，808 nm高透、1064&1470 nm高反）、M2（平凹镜，459 nm高透，1064 nm高反，1470 nm反射率为70%）为主谐振腔的两个腔镜。输出的1064 nm激光作为好腔激光，经过PDH稳频系统来稳定谐振腔腔长，1470 nm激光作为钟激光输出。

 

 

 

图 7. 两套一体化实验装置

 

 

 

3.2. 实验结果

 

（a）1064/1470 nm好坏腔激光的功率特性

 

 经过前期的实验，我们已经初步实现了好坏腔双波长共腔输出，选取808/459nm激光作为泵浦光，1064/1470 nm输出光的功率随泵浦光的增加而增加。并且都存在阈值泵浦功率，其中好腔激光最大输出功率可达到100 mW, 坏腔激光最大输出功率可达到70 μW。输出功率随泵浦光的功率的变化如图 8所示。

 

 

 

图 8. 1064/1470 nm好坏腔激光输出功率随808/459 nm泵浦光功率的变化.

 

 

 

 

（b）1064/1470 nm好坏腔激光的线宽特性

 

 搭建两套一样的实验系统，拍频分别测量好坏腔激光的输出线宽，其中1064 nm好腔激光拍频的洛伦兹拟合线宽为15.4 kHz，即每套系统的线宽为10.9 kHz。1470 nm坏腔激光的洛伦兹拟合线宽为210 Hz, 即每套系统的输出线宽为149 Hz。1064 nm好腔激光经PDH稳频系统锁定腔长，可实现1Hz的输出线宽，由于坏腔的腔牵引的抑制作用，1470 nm钟激光输出线宽最终可压窄到mHz量级。我们实验室目前正在准备1064 nm锁定的相关实验。

 

 

图 9. 拍频信号的洛伦兹拟合线宽，1064 nm好腔信号（左），1470 nm坏腔信号（右）。

 

（c）坏腔的腔牵引抑制特性

 

  通过改变连接腔镜的PZT的电压来改变谐振腔腔长，从而实现腔模频率的变化，实验分别观察好坏腔拍频信号的频率变化，发现好腔拍频信号频率变化几乎和腔模频率变化同步，而坏腔拍频信号对腔模频率的变化不敏感，体现出了对腔牵引的抑制作用。实验结果如下图所示。

 

 

图 10. 输出频率随腔模频率的变化关系，好腔信号（蓝色），坏腔信号（红色）。

 

 

3.3. 总结

 

 目前国际上已经有研究小组在温度为124 k时，通过将两个超稳激光器分别稳定到两个独立的单晶硅F-P腔上，测得稳定度为4E-17水平，由此计算得每个激光器的线宽为10 mHz。虽然达到较窄的线宽输出，但是低温的情况很不方便，我们提出的双波长主动光频标方案，首先通过1064 nm好腔激光锁定腔长达到1 Hz的好腔输出线宽，再利用坏腔的腔牵引的抑制效应将线宽压窄几百倍，在常温下就可以达到目前国际上的最好水平，如果再结合激光冷却和囚禁技术，将原子冷却，或者说可以用低温的腔将1064nm 锁住，最终的输出线宽可以达到 10 mHz以下。

 

4.法拉第主动光钟 

 

 

 作为一种独特的光学时钟,主动光钟具有优于传统光钟稳定性的潜在优势。本研究组现实验研究的一种改进的铯主动法拉第光学频率标准并以459 nm激光进行抽运。该方案改善了原用852 nm激光进行抽运的结果，减少了残余的多普勒展宽。这大大缩小了法拉第光学滤波器的带宽和减少用于铯主动法拉第光学频率标准 [20-21]的坏腔长度。这很大的程度上能帮助我们抑制好腔的腔牵引效应。

 

 

图 11. Cs原子能级图

 

 上图的能级可以看到459 nm和852 nm光频是同基态，459 nm激光作用于62S1/2的原子，用852 nm激光探测为了得到窄线宽的FADOF信号。本实验搭建的光路是以459 nm泵浦，852 nm探测的光路。

 

 

图 12. 实验光路

 

     目前所得到的数据如下图所示：

 

 

图 13. 饱和吸收谱以及FADOF信号

 

上半部分图片是459 nm激光器的饱和吸收谱实验数据，下半部分图片是在10.7 G磁场下对于852 nm激光的FADOF信号。根据实验数据我们需要进一步实验的是改善磁场屏蔽效果，磁场的均匀性，探测光以及泵浦光的强度和关联性。

5. 讨论和展望

 

主动光钟, 从本质上讲, 是利用工作于原子跃迁谱线的受激辐射输出直接为频率标准信号。不同的实验方案, 具有其自身特征, 坏腔三能级激光型主动光钟采用超冷原子，选择长寿命的能级作为受激辐射的上能级, 因此腔牵引系数很小, 原子运动Doppler效应对输出光频率的影响很小, 具有毫赫兹量级量子极限线宽。实验上, 美国JILA小组采用双光子Raman跃迁验证了主动光钟坏腔效应的巨大优势。然而, 由于超冷原子数目有限, 在腔牵引系数达到10-5量级时, 很难形成光频受激辐射, 采用Raman跃迁的模拟实验的输出光功率也极弱. 另外, 采用Raman跃迁结构, 泵浦光的光频移有很大影响, 实验测量值350 Hz中主要来源于此. 冷原子坏腔三能级激光方案除受限泵浦光光频移的不利因素外, 性能参数优异, 但实验很难实现深坏腔条件下的光频受激辐射. 四能级主动光钟方案采用碱金属原子, 如133Cs原子的四能级结构实现受激辐射输出, 通过泵浦和受激辐射相关的分离, 可降低泵浦光对原子能级的光频移. 实验上发现原子的不同超精细结构会有不同表现，具体的细节以及Zeeman子能级的影响都有待深入研究. 目前对于铯泡样品, 采用选速泵浦降低原子热运动的影响, 腔牵引效应可降低40倍, 两套拍频得到的频率线宽有望降低到1Hz以下. 四能级主动光钟方案最大优势是降低了泵浦光的光频移影响, 下一步的研究重点是采用激光冷却囚禁原子实现四能级主动光钟, 以克服原子热运动各种效应的影响, 再利用双波长的方案, 稳定光学腔模以降低外界振动噪声的影响. 法拉第主动光钟方案的特征是将增益与频率参考分离, 可获得较大的受激辐射输出功率, 因此, 输出功率高是法拉第主动光钟方案的优势. 此外, 实现更高性能的冷原子法拉第主动光钟值得进行深入探索研究, 包括同样用双波长的方案, 稳定光学法拉第主动光钟腔模, 提高长期稳定性能。

展望未来, 无论光钟如何进步, 由不同技术途径发展基于不同原理的对环境噪声不敏感的窄线宽本振探测激光, 是光钟的最关键技术瓶颈之一. 通过进一步研究与发展主动光钟, 尤其是基于冷原子的主动光钟, 除了实现一种新型的光钟之外,很可能利用其坏腔效应带来的对外界噪声免疫优势为未来的光钟提供更稳定的线宽更窄的本振探测激光, 从而推动量子精密计量物理的进步。

 

 

参考文献

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