授時(shí)中心在高性能小型化相干布居囚禁原子鐘研究中獲進(jìn)展

  近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心張首剛和研究員云恩學(xué)帶領(lǐng)的原子鐘研究團(tuán)隊(duì)研制出高性能小型化相干布居囚禁（CPT）原子鐘，解決了高性能CPT原子鐘難以小型化的問(wèn)題。

  時(shí)間是目前測(cè)量精度最高的物理量，基于光晶格的鍶原子光鐘穩(wěn)定度可達(dá)E-19量級(jí)，但其體積過(guò)于龐大而不便于攜帶。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)基于CPT的量子干涉效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)小型化和微型化原子鐘。目前的芯片級(jí)原子鐘是基于CPT原理，體積與火柴盒相當(dāng)，已應(yīng)用于需要精密時(shí)間信號(hào)而又對(duì)體積、功耗、重量具有嚴(yán)格限制的應(yīng)用，如無(wú)人機(jī)巡航、水下資源勘探等。然而，目前實(shí)現(xiàn)的芯片鐘頻率穩(wěn)定度僅在3E-10@1s水平，相當(dāng)于運(yùn)行100年累計(jì)誤差不到1秒，在需要更高精度時(shí)間信號(hào)的應(yīng)用中，如深空探測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航、高速通信、火災(zāi)與地下搜救、潛航器導(dǎo)航等，還需大幅提升其頻率穩(wěn)定度。

  為提升CPT原子鐘性能，國(guó)際上在多年前就開(kāi)展了高性能CPT原子鐘研究，其中，法國(guó)巴黎天文臺(tái)和貝桑松FEMTO-ST實(shí)驗(yàn)室研制出性能較好的CPT原子鐘，其頻率穩(wěn)定度在2E-13@1s水平（即10萬(wàn)年積累誤差不到1秒）。然而，科研人員采用了較復(fù)雜的lin⊥lin CPT或push-pull CPT方案，導(dǎo)致了體積、功耗和重量的大幅增加，失去了CPT原子鐘最大的優(yōu)勢(shì)（即體積小）。

  針對(duì)小型化與高性能的矛盾，云恩學(xué)在巴黎天文臺(tái)工作期間，就原創(chuàng)性地提出了高性能相干極化調(diào)制CPT原子鐘方案。回國(guó)后，他進(jìn)一步提出基于直接調(diào)制窄線寬半導(dǎo)體激光器和圓偏振CPT作用的方案，獲得了國(guó)際***的短期頻率穩(wěn)定度結(jié)果3.6 E-13τ-1/2 (4 ~200 s)，取樣時(shí)間200秒達(dá)到1.8E-14。相關(guān)研究成果以High-performance coherent population trapping atomic clock with direct-modulation distributed Bragg reflector laser為題，發(fā)表在Metrologia上。審稿人對(duì)該研究成果給予了高度評(píng)價(jià)。

  更重要的是，應(yīng)用該方案將使CPT原子鐘裝置大為簡(jiǎn)化，可實(shí)現(xiàn)小型化、甚至芯片化的高性能CPT原子鐘，將為微納衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)、近地軌道通信、微型自主定位導(dǎo)航授時(shí)（Micro-PNT）等系統(tǒng)提供重要的技術(shù)支撐。