课题组名称：脉冲光抽运铷原子钟小组

课题组成员：王育竹院士、胡正峰研究员、邓见辽副研究员、王文丽博士、林锦达博士、张松硕士

研究生：董功勋、林海笑

课题组简介：

本课题组针对热原子蒸汽池中的铷原子开展突破经典噪声极限的原子钟及高精度光谱研究，分别从实验技术和理论方法上探索精密测量的新方法和新技术。主要研究内容包括以下两个方面：

1. 脉冲光抽运原子钟

脉冲光抽运（POP）原子钟结合脉冲光抽运技术和时域Ramsey技术，将量子态、微波探询原子跃迁和检测原子跃迁几率这三个阶段在时间上完全分开，因此原理上可以消除光频移。它的频率稳定度指标比传统光谱灯铷钟高一个数量级，比主动氢钟略高，是下一代卫星导航系统的理想星载钟。目前课题组正在开展POP原子钟样机研制和无间隙运行原子钟、原子锁相原子钟等新型原子钟原理及关键技术研究。

2002年王育竹院士提出了相干存储原子钟工作机制。理论分析显示相干存储原子钟可完全消除光频移效应，信号对比度可达到1，短期稳定度仅受限于散弹噪声。理论计算结果表明，原子钟的短期稳定度可达8.3E-14@1s ,可与氢原子钟相比拟[Phys. Rev. A, 79, 063820 (2009)]。相干存储原子钟是我们具有自主创新和自主知识产权的新型原子钟。

2008年采用光检测技术在国内首次实现了POP原子钟的原理性运转。2012年在国际上首次提出基于磁光旋转效应的正交偏振钟跃迁探测技术并成功应用于POP原子钟Ramsey信号的探测，突破之前国际上最高约30%的信号对比度，获得大于90%超高对比度的Ramsey条纹。正交偏振探测技术可以明显提高钟跃迁谱线的信噪比，在相同条件下利用正交偏振探测技术获得的以阿伦方差表征的铷原子钟频率稳定度比传统的吸收探测技术提高一个数量级。《光学快报》审稿人对该工作做出了高度评价：“作者利用磁光旋转方法代替吸收法，极大的压制了背景光强噪声，提高了钟跃迁谱线信噪比。该方法应该得到原子钟研究领域的关注。” “超高对比度原子钟跃迁谱线探测技术”入选2012中国光学重要成果。2013年开始在所自主部署项目“POP原子钟”支持下开展了POP实验室样机的研制工作，POP原子钟频率稳定度达到6.3E-13@1s，1.85E-14@1000s。

图1  POP原子钟Ramsey条纹(a)正交偏振探测(b)吸收法探测

图2  吸收法探测和正交偏振探测的POP原子钟闭环频率稳定度对比

联系人：邓见辽，021-68818359，jldeng@siom.ac.cn

2. 量子极限精密原子光谱

精密原子光谱在以原子为工作介质的量子计量中有着极其重要的应用，如原子频标和原子干涉等。本题研究利用量子的资源和手段实现具有量子极限精度的原子光谱，提高以原子为工作介质的测量仪器的精度，实现对基本物理常数及其它物理量的高精度测量。主要内容包括：用量子光场进行原子系综制备，减小光场噪声对原子系统的影响，形成原子系统的量子压缩和量子纠缠。量子光场与原子系综作用实现原子的干涉。通过采用量子的非破坏弱探测的方式对原子系统进行探测，从而得到量子极限的原子光谱。

我们已经对相干布居囚禁、Hanle结构，以及电磁感应透明等精密光谱应用于原子频标进行了比较深入的研究。得到了一些产生精密谱线的原理机制以及谱线的压窄效应机理。并对压缩光场与原子作用从而压缩原子系综噪声进行了初步研究，结果表明这样的系统可以压缩原子的噪声。将对量子光场，包括压缩和纠缠光场与原子作用（包括热原子和冷原子）产生高精度原子干涉谱线以及对谱线的量子非破坏弱测量进行详细研究。

联系人：胡正峰，021-68818712，zfhu@siom.ac.cn

项目资助：

1、科技部973项目：铷原子频标的新方法和新技术，已结题

2、中国科学院仪器功能开发创新项目：可搬运高稳定度标准频率源，已结题

3、中科院上海光机所自主部署项目：POP原子钟，在研

4、国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目：逼近甚至突破散粒噪声极限的原子钟技术，在研

研究成果：

近期论文

            [1]    Jianliao Deng, Zhengfeng Hu, Lin Li, Huijuan He，Research on Characteristics of Pulsed Optically Pumped Rubidium Frequency Standard”, 7th Symposium on Frequency Standards and Metrology, 348, edited by Lute Maleki, World scientific (2009)

            [2]    Bo Yan, Yisheng Ma, and Yuzhu Wang，Formation of Ramsey fringes based on pulsed coherent light storage，Phys. Rev. A, 79, 063820 (2009)

            [3]    Jinda Lin, Jianliao Deng, Yisheng Ma, Huijuan He, and Yuzhu Wang，Detection of ultra-high resonance contrast in vapor cell atomic clocks，Opt. Lett., 37, 5036 (2012)

            [4]    Yisheng Ma, Jianliao Deng, Zhengfeng Hu, Huijuan He, Yuzhu Wang，Microwave excited optical transparency enhancement resonances in Hanle-EIT configuration, Chin. Opt. Lett., 11, 022701 (2013)

            [5]    Yisheng Ma, Jianliao Deng, Zhengfeng Hu, Huijuan He, Yuzhu Wang，High Contrast Transparent Ramsey Fringes Using Microwave Pulses Interaction With Atomic Coherent State In Warm Rubidium Vapor, Chin. Opt. Lett., 11, 032701 (2013)

            [6]    Jinda Lin, Jianliao Deng, Huijuan He, and Yuzhu Wang, ”High-contrast and narrow-linewidth resonant profile for continuous operation atomic clock”, App. Opt., 52, 2169 (2013)

            [7]    Deng Jianliao, Lin Jinda, Qian Jun, Dong Gongxun, He Huijuan, and Wang Yuzhu, "Pulsed optically pumped rubidium clock with ultrahigh resonance contrast"，2014 IEEE International Frequency Control Symposium (IFCS),  DOI: 10.1109/FCS.2014.6859920 (2014)

            [8]    WenLi Wang, JianLiao Deng and YuZhu Wang，Recoil-induced resonance spectroscopy and nondestructive temperature measurement of cold rubidium atoms inside an integrating sphere，J. Opt. Soc. Am. B 32, 2441 (2015)

            [9]    Wen-Li Wang, Ri-Chang Dong, Jian-Liao Deng, and Yu-Zhu Wan, Pump-probe spectroscopy of cold rubidium atoms in an integrating sphere, Phys. Rev. A, 93, 052503 (2016)

          [10]  Chunguang Du，Qingli Jing，Zhengfeng Hu，Coupler-freetransition from light to surface plasmonpolariton，Phys. Rev.A，2015，91（1）：013817。

          [11]  Zhengfeng Hu，Chunguang Du，Jianliao Deng，Yuzhu Wang，Transient response of transparency in a far-off resonant atomic system，Chin. Phys. B，2014，23（5）：054204。

          [12]  Zhengfeng Hu，Jingda Lin，Jianliao Deng，Huijuan He，Yuzhu Wang，Gain of the spin wave stored in a four-level atomic system，J. Phys. B: At.Mol. Opt. Phys.，2012，45（1）：015506。

          [13]  Zhengfeng Hu，Jingda Lin，Jianliao Deng，Huijuan He，Yuzhu Wang，Gain and absorption of prob light in an open four-level atomic system，Chin. Phys. Lett.，2012，29（5）：054207。

          [14]  Hu Zheng-Feng，Deng Jian-Liao，Ma Yi-Sheng，He Hui-Juan，Wang Yu-Zhu，Analytical solution of microwave transition spectral lines for 87Rb atoms in a Hanle configuration，Chin. Phys. B，2010，19（7）：074209。

          [15]  Hu Zheng-Feng，Deng Jian-Liao，Wang Yu-Zhu，The dispersive properties of an excited-doublet four-level atomic system，Chinese PhysicsB，2008，17：3358-3362。

          [16]  Z.F. Hu，Y.Z. Wang，Phase shift caused by microwave field based on light storage，Journal of Modern Optics，2008，55：1947-1952。

          [17]  Z F Hu，Y Wang，C G Du，Y Z Wang，Quantum interference effects of two coherent population trapping states on the atomic spectral linesof a Fe = 0 →Fg = 1 transition，J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.，2005，38：1719-1726。

          [18]  Hu Zheng-Feng，Ma Yi-Sheng，Deng Jian-Liao，He Hui-Juan，Wang Yu-Zhu，Ultranarrow absorptive spectral line induced by microwave field，Chinese Physics B，2009，18：199-202。

          [19]  HU Zheng-Feng，DENG Jian-Liao，DU Chun-Guang，WANG Yu-Zhu，Enhanced Kerr Nonlinearities Caused by Cross Talk Between Optical and Microwave Transitions，Commun. Theor. Phys.，2008，50：961-964。

          [20]  Chen Peng，Qian Jun，Chen Dong-Yuan，Hu Zheng-Feng，Wang Yu-Zhu，Interference of Narrowband Biphoton with Double Electromagnetically Induced Transparency in a N-type System，Chin. Phys. Lett.，2012，29（4）：044202。

专利

            [1]     林锦达，王育竹，邓见辽，李琳，何慧娟，具有高对比度鉴频信号的铷原子钟，专利授权号ZL201210283726.1。

            [2]     林锦达，董功勋，邓见辽，王育竹，微波相位调制锁定原子钟，专利申请号201410698258.3。