中科院量子光学重点实验室

汞原子光晶格钟小组

更新时间:2021-08-24 【打印】 【关闭

 

课题组名称:汞原子光晶格钟

研究内容简介

本小组的目标是研制一种基于光晶格中的超冷汞原子的光频跃迁的新型原子钟。汞原子和其他光晶格钟(钙原子、锶原子、镱原子)类似,具有非常窄的光频跃迁线宽(1S03P0跃迁,265.6nm,线宽100mHz)。汞原子有丰富的同位素(6个稳定同位素)。汞原子的优势在于其对环境的敏感度(黑体辐射频移)相比其他原子要小10倍以上。我们对汞原子可以进行激光冷却和捕获,并继而装载到光晶格中。光晶格的强束缚可以消除原子运动的影响。汞原子光晶格钟的另一个特殊性是要采用几种新颖的紫外激光光源(激光冷却波长为254nm,钟频跃迁波长为266nm,魔术波长光晶格波长为363nm)。

我们的最终目的是发展一种高精度的原子钟,其准确度可达到10-18水平。通过光学频率梳和其他原子钟进行比对,重新进行秒定义,并进行基本物理定律(如等效原理)的新型测量,从而对引力、强弱相互作用等理论做出实验验证,对精细结构常数是否随时间改变进行测量。高精度原子钟还可以用在基于引力红移(Einstein效应)的地球引力场测量上。

研究进展

汞原子光晶格钟小组从2010年开始开展超冷汞原子方面的研究工作。在初期建立的第一套汞原子激光冷却的实验装置(图1)上,解决了超冷汞源、超高真空腔、汞原子光谱、紫外激光器稳频等关键技术难题,稳定获得了超冷汞原子,探测到了钟频跃迁谱线。另一方面,完成了大功率紫外激光器的研发,应用室温下的特殊波长光纤激光放大技术和高效率倍频技术,获得了1.4 W的紫外激光输出,并实现了较高的系统稳定性;完善了紫外钟频激光器系统方案,建立了1062.5nm超稳激光系统,并实现了超稳激光的PDH锁定,通过光纤激光放大和两级倍频,得到10.6mW钟频激光,并应用该激光在冷原子上测量了钟频跃迁光谱。

2019年,我们开始建立了一套全新的汞原子光晶格钟实验装置,已经完成了一套具有二维磁光阱、三维磁光阱和光晶格结构的超高真空系统,建立了2套高稳定性的冷却激光系统,研制了1套利用钛宝石注入锁定技术的光晶格激光系统。接下来,我们将在这些工作的基础上,实现二维磁光阱和三维磁光阱,并将冷原子装载到腔增强的光晶格中,进行窄线宽钟频跃迁的测量。进一步,进行冷原子和原子钟跃迁的评估,实现高精度的光晶格原子钟。

 

1用于汞原子激光冷却的真空系统(左),制冷汞源(右)

 

2用于汞原子光晶格的超高真空系统(左)和搭建后的实验平台(右)

 

1.汞原子激光冷却

由于原有的紫外冷却光功率有限(10mW),我们采用单束折叠光路的方案(3),这不仅大大降低了所需要的冷却光功率,也提高了统的稳定性。我们还进行了多种汞原子的光谱研究,用于将冷却激光稳定到原子的跃迁谱线上。2012年我们(国内)第一次观测到了超冷汞原子信号。在实现了紫外激光的稳频后,观测到冷原子所有的同位素,获得了106量级的原子数,并通过飞行时间法测量了冷原子的温度,对199Hg原子为50μK(4)                                                          

3单束折叠光路(左),2012年首次观测到超冷汞原子信号(右)

 

4超冷汞原子同位素(左),飞行时间法测量冷原子温度(右)

2.大功率紫外冷却激光系统研制(253.7nm

为了提高汞原子捕获效率,降低冷却时间,我们研发了一套大功率(>100mW)、窄线宽(<100kHz)、可调谐冷却激光系统(图4)。种子光为自制外腔反馈半导体激光器,通过光纤放大可得到最大7W的基频光输出,然后进行两次倍频。在此过程中,我们与上海光机所冯衍小组合作,发展了1014.8nm室温运行的光纤激光放大器,该方法已经被国际上多个小组采用,大大提高了冷却激光器的稳定性。自制的1014.8nm半导体激光器经过FP腔稳频和压窄线宽,输出功率为50mW,线宽为23kHz。两级倍频均采用环形折叠腔系统,第一级倍频晶体为LBO晶体,在6.3W基频光输入时可以得到4.1W的二倍频激光;第二级倍频晶体为BBO晶体,最大可以得到1.4W的紫外激光输出。

      

5激光冷却系统实验示意图(左)、两级倍频器照片(右)。

为了提高紫外激光的输出功率稳定性,我们重新了两套用于激光冷却汞原子的新的稳定253.7nm激光器,该激光器基于带有ECDL种子激光器的光纤激光放大器,通过单通PPLN晶体和BBO晶体倍频腔进行两级倍频,紫外激光输出功率为147 mW。为了提高功率稳定性,种子激光器的频率稳定在Fabry-Perot腔上,并通过反馈伺服环路使绿光的输出功率稳定,对倍频腔采取PDH稳频。在55mW输出功率下,相对功率变化低于0.3%,相对强度噪声在10Hz以上时低于-90dB/Hz。应用该激光器,观察到具有高信噪比的饱和吸收光谱,并进行了调频光谱的频率锁定,锁定后的线宽小于。为了将这两激光器已经应用在物理系统上,我们将一台激光器锁定在汞原子的饱和吸收谱线上,另一台种子激光通过和第一台种子激光的拍频和鉴频鉴相的方法进行频率稳定和紫外激光失谐量调节,从而满足将两台激光器分别用于二维磁光阱和三维磁光阱的需要。

          

6激光冷却系统实验示意图(左)、两级倍频器照片(右)。

       

7紫外激光的输出功率(左)、激光器的相对功率噪声(右)。

 

3.超稳超窄线宽紫外钟频激光系统研制(265.6nm

钟频探测需要超窄线宽和超高稳定度的紫外激光。首先将一个1062.5nm的光纤激光器通过PDH稳频锁定在一个ULE超稳腔上(精细度约为46万),实现亚赫兹线宽超稳激光,通过光纤激光放大器放大到2W以上,单次通过PPLN晶体倍频至531.2nm,再通过一个BBO晶体腔倍频获得3.7mW265.6nm紫外超稳激光,可用于钟频跃迁的探测。1062.5nm超稳激光通过光纤噪声消除方法,传递到光学频率梳系统,进行绝对光频的测量。

 

    

8超稳钟频激光系统结构示意图(上),超稳腔及其隔热真空系统(左下)、PPLN晶体及温控(中下)和531nm-265.5nm倍频腔实物图

 

4.冷原子中钟频跃迁信号的探测

实验上利用时序程序控制紫外冷却光和钟频光的开关,同时扫描钟频激光的频率,获得冷原子中的钟频跃迁谱线。图9中红线为无冷却光时的钟频跃迁谱线,谱线的半高全宽570kHz,对应原子团温度100μK。蓝线为有冷却光时的钟频跃迁谱线。通过比较两条谱线的中心位置,可以测量获得冷却光引起的光频移约为296kHz

                   

9 冷原子中的钟频跃迁谱线

 

5.魔术波长光晶格激光系统研制(362.57nm

汞原子的魔术波长光晶格激光波长为362.57nm,需要将725.14nm大功率窄线宽激光倍频获得200mW以上的激光输出。我们采用注入锁定钛宝石激光技术,将窄线宽的725nm半导体激光注入钛宝石腔,经过PDH稳频后,获得1W725nm激光输出,再通过一个LBO晶体倍频腔倍频获得210mW362.57nm激光。为了降低钛宝石注入锁定过程中对于注入的种子激光功率的要求,我们采用了具有锐利的边沿的低通滤波器型腔镜,确保了在7W的泵浦功率和20mW的注入功率下可以实现725nm激光的注入锁定,光光斜效率达到32%。未来在13W的泵浦功率下,可以获得3W725nm输出功率。

    

10光晶格激光系统示意图(左)、注入锁定钛宝石激光系统照片(右)

 

汞原子光晶格钟的原理和结构

汞原子光晶格钟的原理如图5所示,将囚禁在一维光晶格中的超冷汞原子的钟频跃迁(199Hg原子的1S03P0跃迁,自然线宽100mHz)作为参考,用一个高稳定度的光学本地振荡器(超稳激光,稳定在超稳参考腔上)探测获得鉴频信号,通过反馈控制来锁定光学本地振荡器,通过光学频率梳测量鉴频信号,并将锁定后的光频信号转换为可输出的微波信号。

                                                 

11光钟的运行原理

                                                         

12汞原子光钟相关的能级结构

 

汞原子光晶格钟的总体结构包括物理系统、冷却激光系统、钟频激光系统、光晶格激光系统、抽运激光系统和光学频率传递测量控制系统等,如图7所示。其中物理系统为原子介质的制备和探测环境,光晶格装载的原子数达到1000个,装载周期约1秒。冷却激光系统用于产生汞原子激光冷却的紫外激光,同时也用于探测基态原子数,波长为253.7nm1S03P1跃迁)。钟频激光系统用于钟频探测的超稳紫外激光,波长为265.6nm1S03P0跃迁)。光晶格激光系统用于产生魔术波长光晶格激光,波长在362.57nm附近。光抽运激光系统用于钟频探测中的跃迁几率归一化,将处于激发态(3P0)的原子抽运到基态(1S0),以探测激发态的布居数,需用三台激光,波长分别为405nm3S13P0跃迁)、546nm3S13P2跃迁)和435nm3S13P1跃迁)。光学频率传递测量控制系统用于超稳激光信号的光纤传递、测量和控制,消除光纤传递中附加噪声,用光纤光学频率梳测量超稳激光的频率,由原子的鉴频信号反馈控制钟频激光的频率。

                                                 

13汞原子光晶格钟的总体结构

 

研究组成员

徐震 组长,联系人,副研究员xuzhen@siom.ac.cn021-69918463

孙剑芳 助理研究员jfsun@siom.ac.cn

张晔 博士研究生zhangye@siom.ac.cn

刘琪鑫 博士研究生liuqixin@siom.ac.cn

余泽鑫 硕士研究生yuzexin@siom.ac.cn

马莉 硕士研究生(中科大代培)

已毕业学生

付小虎 博士 2018年毕业(上海频准激光科技有限公司)

赵儒臣 博士 2017年毕业(上海频准激光科技有限公司)

李文杰 硕士 2017年毕业(北京京东方工作)

刘亢亢 博士 2016年毕业(华为公司工作)

苟  硕士 2016年毕业(浙江大学物理系博士毕业,中科大博士后)

刘洪力 博士 2013年毕业(华中科技大学博士后)

尹士奇 硕士 2012年毕业(美国University of Connecticut物理系博士毕业,留美工作)

在研究组工作过的研究人员(包括博士后)

现在上海光机所工作

赵儒臣 现在上海频准激光科技有限公司工作

14从左到右依次为:刘琪鑫,张晔,徐震,孙剑芳(2019年秋)

 

15从左到右依次为:方苏,李文杰,孙剑芳,徐震,赵儒臣(2017年春)


16从左到右依次为:付小虎,赵儒臣,徐震,刘亢亢,苟维,李文杰,孙剑芳(2016年春)


17从左到右依次为:尹士奇,刘洪力,徐震(2011年秋)

相关合作研究小组

冯衍      研究员,上海光机所高功率光纤激光技术实验室

项目资助

1.        国家自然科学基金面上项目,汞原子光晶格的装载和光谱研究,负责人:徐震,项目编号:11874317,执行年限:2019.1-2022.12

2.        国家自然科学基金重大研究计划“精密测量物理”培育项目,汞原子光晶格钟的关键技术研究,负责人:徐震,项目编号:91436105,执行年限:2015.1-2017.12

3.        国家自然科学基金理论物理专项“博士启动计划”, 一维准随机光晶格中相互作用玻色子的多体局域化研究,负责人:孙剑芳,项目编号:11547251,执行年限:2016.1-2016.12

 

近期研究成果

发表论文

1.         Y. Zhang, Q. Liu, X. Fu, J. Sun, Z. Xu*, and Y. Wang, A stable deep-ultraviolet laser for laser cooling of mercury atoms, Optics & Laser Technology 139, 106956 (2021).

2.         X. Liu, X. Zhao, Z. Xu*, and Z. Hu*, "Light-shift comparison of electromagnetically induced transparency and coherent population trapping in continuous-wave and Ramsey spectroscopies," Journal of the Optical Society of America B 38, 1270-1275 (2021).

3.         X. Liu, X. Zhao, J. Sun, Z. Xu, and Z. Hu*, "Light-shift induced by two unbalanced spontaneous decay rates in EIT (CPT) spectroscopies under Ramsey pulse excitation," Chinese Physics B 30, 083203 (2021).

4.         X. Zeng, S. Cui, J. Qian, X. Cheng, J. Dong, J. Zhou, Z. Xu, and Y. Feng*, "10 W low-noise green laser generation by the single-pass frequency doubling of a single-frequency fiber amplifier," Laser Physics 30, 075001 (2020).

5.         X. Fu, S. Fang, R. Zhao, Y. Zhang, J. Huang, J. Sun, Z. Xu*, and Y. Wang, Observation of the 1S0 - 3P0 optical clock transition in cold 199Hg atoms, Chinese Optics Letters 16, 060202 (2018).

6.         付小虎, 方苏, 赵儒臣, 孙剑芳, 张晔, 徐震*, 王育竹, 用于Hg原子光晶格钟的低漂移率超稳腔系统, 中国激光 45, 0901001 (2018).

7.         R. Zhao, X. Fu, L. Zhang, S. Fang, J. Sun, Y. Feng, Z. Xu*, and Y. Wang, High-power continuous-wave narrow-linewidth 253.7 nm deep-ultraviolet laser, Applied Optics 56, 8973-8977 (2017).

8.         赵儒臣, 付小虎, 孙剑芳, 徐震*, 王育竹, 高效率外腔倍频产生大功率507.4 nm连续激光, 中国激光 44 (7): 0701001 (2017).

9.       Kang-Kang Liu, Ru-Chen Zhao, Wei Gou, Xiao-Hu Fu, Hong-Li Liu, Shi-Qi Yin, Jian-Fang Sun, Zhen Xu* and Yu-Zhu Wang*, A Single Folded Beam Magneto-Optical Trap System for Neutral Mercury Atoms, Chin. Phys. Lett. 2016, 33 (07): 070602 (2016).

10.     苟维, 刘亢亢, 付小虎, 赵儒臣, 孙剑芳, 徐震*,中性汞原子磁光阱装载率的优化,物理学报. 2016, 65 (13): 130201 (2016).

11.   R C Zhao, X H Fu, K K Liu, W Gou, J F Sun, Z Xu* and Y Z Wang*, Recent progress of neutral mercury lattice clock in SIOM, Journal of Physics: Conference Series 723(1): 012022 (2016).

12.     Xiaohu Fu, Kangkang Liu, Ruchen Zhao, Wei Gou, Jianfang Sun, Zhen Xu*, and Yuzhu Wang. Polarization spectroscopy of the 1S0-3P1 transition of mercury isotopes at 253.7 nm. Chinese Optics Letters13(7)073001 (2015).

13.     刘亢亢, 刘洪力, 赵儒臣, 付小虎, 徐震*, 王育竹. 用前馈方法改进连续紫外激光器的调谐性和稳定性. 中国激光,41(12)pp1202004 (2014).

14.     Jinmeng Hu, Lei Zhang, Hongli Liu, Kangkang Liu, Zhen Xu, and Yan Feng. High-power single-frequency 1014.8 nm Yb-doped fiber amplifier working at room temperature. Applied Optics53(22)472-4977 (2014).

15.     Jinmeng Hu, Lei Zhang, Hongli Liu, Kangkang Liu, Zhen Xu*, and Yan Feng*. High power room temperature 1014.8 nm Yb fiber amplifier and frequency quadrupling to 253.7 nm for laser cooling of mercury atoms. Optics Express21(25)30958-30963 (2013).

16.     Hongli Liu, Shiqi Yin, Kangkang Liu, Jun Qian, Zhen Xu*, Tao Hong, Yuzhu Wang*, The magneto optical trap for neutral mercury atom, Chinese Physics B, 22(4), 043701 (2013).

17.     Hongli Liu, Shiqi Yin, Jun Qian, Zhen Xu*, and Yuzhu Wang, Optimization of Doppler-free magnetically induced dichroic locking spectroscopy on the 1S03P1 transition of a neutral mercury atom. Journal of Physics B-Atomic Molecular and Optical Physics, 46, 085005 (2013).

18.     Hongli Liu, Jun Qian, Zhen Xu, and Yuzhu Wang, A frequency tuning and locking system of a deep UV laser for laser cooling of mercury atoms. Accepted by中国激光, 40(9): 0902005 (2013).

19.     Jianfang Sun, Shiqi Yin, Zhen Xu*, Tao Hong and Yuzhu Wang*Optimization of Polarization Spectroscopy for D line of Rubidium Atoms, Chin. Phys. B 22, 024207 (2013).

20.     Duan Ya-Fan, JIANG Bo-Nan, SUN Jian-Fang, LIU Kang-kang, XU Zhen and WANG Yu-zhu*, Production of 87Rb Bose-Einstein condensates in a hybrid trap, Chinese Physics B 22(5), 056701 (2013).

21.     Shiqi Yin, Hongli Liu, Jun Qian, Tao Hong, Zhen Xu*, Yuzhu Wang*, Observation and optimization of DAVLL spectra on the 1S0 - 3P1 transition of neutral mercury atom, Optics Communications, 285, 5169-5174 (2012).

22.     Peng Chen, Shu-Yu Zhou, Zhen Xu, Ya-Fan Duan, Guo-Dong Cui, Tao Hong, Yu-Zhu Wang*, Narrowband Biphoton Generation with Four-Wave Mixing in a Far-Detuning Three-Level System, Chin. Phys. Lett. 28, 074214 (2011).

 

发明专利

1.         激光器激光频率的调谐方法,专利号:ZL201610301496.52019-02-26,付小虎 赵儒臣 孙剑芳 徐震 王育竹

2.         基于模拟电路的光学腔自动锁定装置及其锁腔方法,专利号ZL201710154261.22019-05-17,赵儒臣 徐震 孙剑芳 付小虎 方苏 王育竹

3.         注入锁定腔内倍频固体激光器,CN105449511B2018-10-02,李文杰 徐震 孙剑芳 赵儒臣 付小虎

 

会议文章

1.         徐震,孙剑芳,张晔,第一届精密测量物理国际研讨会,武汉,428-51日,2019年。

2.         孙剑芳,汞原子光晶格钟研究进展,第十二届全国原子与分子物理会议(张贴报告),洛阳,816-20日,2019年。

3.         徐震, 汞原子光晶格钟研究进展,2019年物理学会秋季学术会议(张贴报告),郑州,919-22日,2019年。

4.         徐震,孙剑芳,刘琪鑫,2019全国时间频率学术会议,北京,109-1011日,2019年。

5.         Ye ZhangObservation of 1S0-3P0 clock transition in cold mercury atoms, European Frequency and Time Symposium(EFTS2019)BeseaconFrance, July 1-5, 2021

6.         Xiao-Hu Fu, Su Fang, Ru-Chen Zhao, Ye Zhang, Jian-Fang Sun, Zhen Xu and Yu-Zhu Wang, Observation of 1S0-3P0 clock transition in cold mercury atoms (Poster), the 7th International Workshop on Ultracold Group II Atoms, Beijing, China Sep 29- Oct. 1, 2018.

7.         Xiao-Hu Fu, Su Fang, Ru-Chen Zhao, Ye Zhang, Jian-Fang Sun, Zhen Xu and Yu-Zhu Wang, Observation of 1S0-3P0 clock transition in cold mercury atoms (Poster), The 8th International Symposium on Cold Atom Physics (ISCAP-VIII), Wuhan, China June 10-14, 2018.

8.         Xiao-Hu Fu, Su Fang, Ru-Chen Zhao, Jian-Fang Sun, Zhen Xu and Yu-Zhu Wang, Recent progress of neutral mercury lattice clock in SIOM (Poster), The 31st European Frequency and Time Forum and the 71st consecutive meeting of the IEEE International Frequency Control Symposium, Besancon, France July 9-13, 2017

9.         Xiao-Hu FU, Ru-Chen Zhao, Kang-Kang LIU, Wei GOU, Jian-Fang SUN, Zhen XU and Yu-Zhu WANG, Recent progress of neutral mercury lattice clock in SIOM (Poster), International Conference on the Frontiers in Atomic, Molecular, and Optical Physics, Shanghai, May 23-26, 2016.

10.     Ru-Chen Zhao, Xiao-Hu FU, Jin-Meng HU, Lei Zhang, Jian-Fang SUN, Zhen XU and Yan FENG, Development of a novel deep-UV laser system for laser cooling of Hg atom (Poster), The 7th International Symposium on Cold Atom Physics, ISCAP-VII, Hangzhou, Jun 18-21, 2016.

11.     Xiao-Hu FU, Ru-Chen Zhao, Kang-Kang LIU, Wei GOU, Jian-Fang SUN, Zhen XU and Yu-Zhu WANG, Recent progress of neutral mercury lattice clock in SIOM (Poster), The 7th International Symposium on Cold Atom Physics, ISCAP-VII, Hangzhou, Jun 18-21, 2016.

12.     Ru-Chen Zhao, Xiao-Hu FU, Jin-Meng HU, Lei Zhang, Jian-Fang SUN, Zhen XU and Yan FENG, Development of a novel deep-UV laser system for laser cooling of Hg atom (Poster), The 25th International Conference on Atomic Physics, ICAP2016, Seoul, Korea Jul 24-29, 2016.

13.     Xiao-Hu FU, Ru-Chen Zhao, Kang-Kang LIU, Wei GOU, Jian-Fang SUN, Zhen XU and Yu-Zhu WANG, Recent progress of neutral mercury lattice clock in SIOM (Poster), The 25th International Conference on Atomic Physics, ICAP2016, Seoul, Korea Jul 24-29, 2016.

14.     R. C. Zhao, X. H. Fu, K. K. Liu, W. Gou, J. F. Sun, Z. Xu, Y. Z. Wang, Recent progress of neutral mercury lattice clock in SIOM (Poster), 8th Symposium on Frequency Standards and Metrology in Potsdam, October 12-16 2015.

15.     Kang-Kang Liu, Ru-Chen Zhao, Xiao-Hu Fu, Jin-Meng Hu, Yan Feng, Zhen Xu*, Yu-Zhu Wang*, Recent progress of laser cooling for neutral mercury atom (Oral), Photonics Asia 2014, Beijing, Oct 9-11, 2014

16.     Zhen Xu*, Shuyu Zhou, Jun Qian, Tao Hong, Yuzhu Wang, “One Dimensional controllable optical lattice with intra-cavity EO crystal tuned ECDL ”, 22nd International Conference on Atomic Physics .Cairns, Tropical North Queensland, Australia. 2010-07.

17.     R. Tyumenev, Z. Xu, L. Yi, S. Mejri, J. J. McFerran and S. Bize*,  The Hg optical lattice clock at LNE-SYRTE2012 EUROPEAN FREQUENCY AND TIME FORUM, 23-27 Apr. 2012, Goteborg, Sweden.

18.     R. Tyumenev, Z. Xu, L. Yi, S. Mejri, Y. Le Coq, J. J. McFerran, and S. Bize*, A neutral mercury optical latiice clock, The 23rd International Conference on Atomic Physics, 23-27 July 2012, Palaiseau, France

19.     Hongli Liu, Shiqi Yin, Jun Qian, Zhen Xu, Tao Hong, and Yuzhu Wang*, The spectroscopy and MOT for neutral mercury atoms, The 23rd International Conference on Atomic Physics, 23-27 July 2012, Palaiseau, France

20.     Yafan Duan*, Bonan Jiang, Kangkang Liu, Jianfang Sun, Jun Qian, Zhen Xu, Tao Hong, and Yuzhu Wang, Dynamics of a kicked Bose-Einstein condensate in disordered potentials, The 23rd International Conference on Atomic Physics, 23-27 July 2012, Palaiseau, France

21.     Yafan Duan, Jianfang Sun, Bonan Jiang, Zhen Xu, Tao Hong, Yuzhu Wang, The Quantum Simulation setup of 87Rb Bose-Einstein condensates and numerical analysis of disorder induced dynamics-equilibrium localization, The 26th International Conference on Low Temperature Physics, Beijing, August 10-17, 2011.

22.    Hongli Liu, Shiqi Yin, Zhen Xu, Tao Hong, Progress of making the MOT for neutral mercury atoms, The 26th International Conference on Low Temperature Physics, Beijing, August 10-17, 2011.