高性能小型化相干布居囚禁原子鐘問世

高性能小型化CPT原子鐘實驗構型與頻率穩定度測試結果 云恩學供圖

　　日前，中國科學院國家授時中心（NTSC）研究員張首剛和云恩學帶領的原子鐘研究團隊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瓶頸問題。

　　時間是目前測量精度最高的物理量，基于光晶格的鍶原子光鐘穩定度可達E-19量級，但是因其體積過于龐大而不便于攜帶。國際上的科學家經歷探索發現，基于CPT的量子干涉效應可以實現小型化和微型化原子鐘。目前的芯片級原子鐘就是基于CPT原理，體積與火柴盒相當，已應用于如無人機巡航、便攜式北斗/GPS接收機、水下資源勘探等需要精密時間信號而又對體積、功耗、重量有嚴格限制的領域。

　　但是，目前實現的芯片鐘頻率穩定度僅在3E-10@1s水平，相當于運行100年累計誤差不到1秒，在需要更高精度時間信號的應用中，如深空探測、衛星導航、高速通信、火災與地下搜救、潛航器導航等，還需要大幅提升其頻率穩定度。

　　據張首剛介紹，為提升CPT原子鐘性能，國際上多年前就開展了高性能CPT原子鐘研究，其中法國巴黎天文臺和貝桑松FEMTO-ST實驗室研制了世界上性能最好的CPT原子鐘，其頻率穩定度在2E-13@1s水平，也就是10萬年積累誤差不到1秒的水平。

　　“但是，他們采用了較為復雜的lin⊥lin CPT或push-pull CPT方案，導致了體積、功耗和重量的大幅增加，失去了CPT原子鐘最大的優勢，即體積小。” 張首剛進一步補充說。

　　據了解，針對小型化與高性能的矛盾，云恩學（Peter Yun）早在巴黎天文臺工作期間，就原創性地提出高性能相干極化調制CPT原子鐘方案。回國后，他進一步提出基于直接調制窄線寬半導體激光器和圓偏振CPT作用的方案，獲得了國際一流的短期頻率穩定度結果3.6 E-13 τ -1/2 (4 ~200 s)，取樣時間200秒達到1.8 E-14，相關成果發表于精密測量領域權威雜志《計量學》（Metrologia）。

　　該期刊的論文審稿人評價，“本工作新穎性在于第一次基于直接調制和簡化的高性能CPT氣泡型原子鐘構型，展示了國際最好指標”。

　　張首剛說，更為重要的是，應用該方案將使CPT原子鐘裝置大為簡化，可實現小型化甚至芯片化的高性能CPT原子鐘，將為微納衛星編隊組網、近地軌道通信、微型自主定位導航授時（Micro-PNT）等系統提供重要技術支撐。