2012CB821300-G光频标关键物理问题与技术实现.Doc
《2012CB821300-G光频标关键物理问题与技术实现.Doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2012CB821300-G光频标关键物理问题与技术实现.Doc(25页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、项目名称:光频标关键物理问题与技术实现首席科学家:高克林 中国科学院武汉物理与数学研究所起止年限:2012.1-2016.8依托部门:中国科学院一、关键科学问题及研究内容1、拟解决的关键科学问题决定原子光频标的准确度和稳定度的因素主要是有谱线的宽度和稳定性、伺服系统的信噪比和外界环境以及物理效应的影响。而影响原子谱线精确度的根源,在于环境对原子能级的干扰以及与原子运动有关的各种效应,而稳定度取决于这些因素随时间的变化关系。与环境隔离(离子阱和光晶格囚禁)或将原子冷却(冷原子)就是主要的手段。而随着频率稳定度提高,在更高阶水平上一些更细微和新的影响因素将显露出来,如多体碰撞效应、黑体辐射效应、D
2、ick 效应、量子噪声、相对论效应等。为此本项目拟解决的关键科学问题:激光冷却与操控原子新的物理机制与方法,有效的冷原子(离子)的制备和控制方法;影响原子光频标准确度和稳定度的高阶小量的物理因素和克服途径,如冷原子碰撞和黑体辐射的物理研究及其对光频标的影响;极端条件下不同物理起源的噪声理论,用于原子跃迁谱线探测的超窄线宽激光的激光物理;光频的精密测量和传输;类碱金属原子和奇同位素离子的光频标机理;新原理和新方法用于提高原子光频标精确度的可能性,探索量子逻辑原子光频标的机理。2、重要研究内容:1) 囚禁离子光频标 目前Ca+ 离子光频标达到10-15的量级,与理论可能极限优于10-17还有一定的
3、差距。为此开展高精度Ca+ 离子光频标的研究:通过囚禁离子量子态的实现和操控,实现囚禁离子的更有效冷却;通过两个阱中囚禁离子光频的比对实验,进一步研究外场和环境对离子光频跃迁的影响和克服方法;探索利用奇同位素离子形成高精度光频标的可能性。开展量子逻辑Al+光频标的研究:影响量子逻辑高保真度运行的离子退相干机制;利用拉曼边带冷却方法快速有效地将离子的运动冷却到量子振动基态的技术实现;基于量子逻辑Al+ 离子光频标系统误差的精密测量和估算。2) 光晶格中冷原子频标 Yb原子光频标的研究已达到10-16量级,但与极限有差距。为此可以开展探索实验:采用新的亚多普勒冷却突破多普勒冷却极限,获取超冷Yb原
4、子;光晶格中长时间囚禁更多冷Yb原子提高光钟信噪比和消除冷原子碰撞频移;消除黑体辐射频移的方法。3)超窄线宽激光:超窄线宽激光的实现,导致光频标的不确定度向更高精度迈进。重点开展细微的物理和环境效应研究,突破亚Hz线宽。同时提高激光的频率稳定性;研究激光稳频系统中的频率噪声机制;探索进一步降低稳频激光频率噪声、提高频率稳定性的新方法、新技术。4)宽谱低噪声光纤飞秒光梳:高重复频率光纤飞秒激光频率梳是光频标研究和未来光频传递比对研究中不可或缺的重要光学频率综合器。为此重点研究如何降低光纤飞秒激光频率梳的相位噪声,通过确定噪声来源,电路反馈控制噪声源等技术手段,抑制环境、温度、电流等对光纤光梳造成
5、的影响,进一步降低相位噪声。5)原子频标中的基础理论与新方案: 光频标发展到如此精密的程度,它精度的极限在哪里?影响精度的物理与技术因素是什么?如何突破现有的精度极限?由此可探讨光频标所需的精密光谱计算和各种实验误差的物理来源与控制;光频标系统的各种量子效应的内在机制与调控应用,特别是量子噪音的极限与突破和多体量子效应的内在机制与调控应用;以及光频标的新原理与新方法。二、预期目标总体目标:研究原子光频标相关的基础物理问题和关键技术;在新原理原子频标的方案研究和技术实现方面有所创新和突破;力争在我国建立高精度的原子光频标,并以此推动我国精密测量物理的研究。五年预期目标:原子频标的发展面临许多的挑
6、战和机会,需要不懈的努力和探索,以及雄厚的技术积累和储备。本项目将选择冷原子和新原理光频标作为主攻方向,掌握原子光频标的若干关键技术,取得研究上的重要突破和进展。建立起光钟频率的不确定度优于10-16的冷原子光频标系统:建立囚禁冷却40Ca+ 离子光频标,扩展为43Ca+ 光频标。建立光晶格囚禁冷却Yb原子光频标。初步建立囚禁冷却Al+ 离子量子逻辑光频标。同时,培养一支研究骨干队伍,形成国内重要的研究基地,为发展我国的原子频标的长期目标打下扎实的基础。具体目标:1. 通过对细致的物理和环境效应的研究,以及两个阱的比对实验,研制成不确定度优于10-16量级的Ca+ 离子光学频率标准;并探讨奇同
7、位素Ca+ 离子光频标的可能性。2. 研究冷原子运动和量子态的精密操控方案;初步建立囚禁冷却Al+ 离子量子逻辑频标。3. 优化冷Yb 原子钟态跃迁谱,特别是光晶格囚禁原子的特性。实现对激光频率的锁定,获得不确定度优于10-16数量级的冷Yb 原子光学频率标准。4. 研制用于新一代光钟的高稳定、实用的光频本机振荡器。建立激光锁频系统剩余频率噪声的模型。将连续波Nd:YAG、半导体等类型激光的线宽压缩降至1 Hz以下。研制高稳定光学谐振腔。5. 建成重复频率200MHz左右、光谱覆盖可见到红外范围的掺Er或掺Yb的光纤光梳,实现重复频率和载波包络相位漂移频率(CEO)的低噪声、长时间锁定。6.
8、开拓和发展光频标系统的理论分析与精密光频计算的方法,给出实验光频标所需的精密光谱和各种误差的物理来源与极限;揭示光频标系统的量子噪音的内在机制与极限,揭示多粒子光频标系统的多体量子效应的内在机制,探索基于原子系综体系和组合量子体系的新型光频标的可能性。三、研究方案1、 学术思路瞄准原子频标基础研究中最前沿最根本的问题和国家重大需求。预期研究结果有可能对最精密的时间频率的标准制定和物理学相关基本理论的验证产生重要影响。本项目的特色是它的基础性,前沿性和交叉性。高精度的冷原子光频标是目前频率准确度最高的原子时间频率标准,也是国际时间基准重新定义(2019年)的有力竞争者。开展高精度光频标的研究,这
9、可为我国积极参与新的国际量子计量标准的制定,并争取更大的发言权提供重要的支持。根据大统一理论(例如弦理论、M理论),基本物理常数可能是变化的。最近关于类星体吸收谱的实验得到精细结构常数a可能在时空内变化。冷原子光钟不仅具有最高的频率精确度,而且不同光钟的频率比值只与a 有关,而与电子质子质量比以及核磁矩无关。所以我们建立起高精度的冷原子光频标,可以用来测量现在精细结构常数的变化,并且可能是对基本物理规律验证的最有希望的方法之一。2、 技术途径各课题分别以冷原子/离子和精密光谱测量为公共技术平台,相互之间从技术到科学内涵形成有机的整体:将以冷原子/离子光频标为研究重点,将着重解决原子光频标中的光
10、频跃迁探测激光的线宽致窄、光频的测量和比对、提高信噪比以及降低和控制频移等关键科学和技术问题。同时探索新的原子频标新原理与新方案,采用新方法和新技术以期提高原子光频标的性能。以此实现高精度的光频标。 3、特色和创新点瞄准原子频标领域中最重要的科学问题开展创新性的研究:由于激光囚禁和冷却原子的发展,使精密谱测量和原子频标进入了一个崭新的时代,而新原理和新技术的发展,将有可能从原理上解决现有技术途径原则上不可避免的误差来源。为此我们在开展理论研究的同时,在实验上开展探索性的工作:l Paul阱中Ca+离子光频测量不确定度才达到10-14量级,而新近在线形阱中超冷离子的光频测量不确定度刚到达10-1
11、5。但目前还没有对系统误差进行完全的实验和理论分析。离子光频测量的极限精度还有相当距离。为此实现40Ca+ 离子光频跃迁的精确测量和外场和环境的精细效应研究是具有挑战性的工作。由此,实验同理论紧密结合,探讨实现外场和环境的补偿和精确控制的方法,单离子与背景气体的碰撞效应,环境温度控制和测量。探索减小和克服引起离子光频跃迁频移效应的新方法。得到精密的离子的光频跃迁谱。开展两个囚禁离子光频的同步比对实验,探讨外场和环境效应的细微影响。由此研制成高精度的40Ca+ 离子光频标。选择与磁场效应不敏感的奇同位素43Ca+为侯选的体系开展实验研究,探讨新的离子体系用以减小相关频移而实现更高性能的光频标。l
12、 Yb原子光频标的研究已达到10-16量级,但与极限有差距。为此可以开展探索实验:Yb 原子578nm钟跃迁激光的产生新方法;Yb 原子光晶格光场759nm的魔幻波长(magic wavelength)的精确确定和控制和用光缔合效应控制Yb原子光晶格格点上的原子数;用绝热冷却技术实现Yb原子的深度冷却;利用内置于超高真空腔的超低温小腔降低黑体辐射频移。l 尽管Al+ 离子光频标的系统误差为目前世界最好水平(进入10-18) ,但仍有提高余地。一是运动相应,为此可开展利用Mg+ 离子的感应冷却和囚禁离子的深度冷却,实现高性能的量子逻辑光频标。二是研究表明:Al+ 离子光频标的系统误差主要由二阶多
13、普勒效应产生,而该二阶多普勒效应主要是由于离子阱必须同时囚禁两个离子而产生的。为此拟进一步开展囚禁单个Al+ 离子光频标机理的研究。从而进一步降低系统误差,实现我国光频标研究的跨越式发展。4、 可行性分析本项目是以建立冷原子和冷离子以及精密光频测量平台为基础,开展光频标基本物理问题研究并实现高精度的光频标。主要由波谱与原子分子物理国家重点实验室,精密光谱科学与技术国家重点实验室,基本物理量测量教育部重点实验室和光物理中科院重点实验室主持实施。波谱与原子分子物理国家重点实验室长期从事原子频标的研究工作,已开展了冷原子/离子光频标的研究。精密光谱科学与技术国家重点实验室有多年从事精密光谱的研究,也
14、已开展了冷原子光频标的研究。华中科技大学的引力实验与理论研究群体自1983年以来一直从事以静态引力实验为主的精密测量研究工作。研究群体在原子频标和相关物理量精密测量领域积累了丰富的经验,取得了一些重要研究成果。现在已开始了囚禁离子光频标的研究。而光物理中科院重点实验室开展了飞秒光梳和精密光谱的研究。这些相关研究工作基础和已建立的实验平台,加上这些实验室在前期“973”项目和国家基金委重大项目支持下,在光频标方面的前期有效的工作积累,为我们开展本项目研究提供了基本的保证。5、 课题设置本研究项目将分三个层次共5个课题。课题设置及个课题的相互关系见下表所示:课题设置及相互联系项目层次主要物理与技术
15、问题课题号相互关系光频标的物理问题与技术实现冷原子体系囚禁冷却离子112分别侧重新型原子光频标的一个特定的物理体系。3-4是光频标的关键技术与方法问题。5对整个研究起牵引作用。光晶格中的原子2关键技术和方法超窄线宽激光3飞秒光梳4理论原理、方案5课题具体研究任务:课题1、冷离子光频标的基础研究目标:以离子阱中冷却离子体系为研究对象,从实验上实现单个40Ca+离子的捕获、冷却以及2S1/2-2D5/2光频跃迁的测量;完成40Ca+离子光频标的锁定和光梳测量。探讨奇同位素43Ca+离子作为光频标的可能性。并开展基于量子逻辑的Al+ 离子光频标研究。 研制成功不确定度优于10-16的Ca+离子光频标
16、。自主搭建一台基于量子逻辑技术的Al+ 离子光频标系统。主要研究内容:1) 单个Ca+离子的冷却和操纵:研究适合囚禁单个离子特殊阱构型的离子阱系统, 开展单个离子的稳定捕获、亚Doppler冷却实验。利用离子的量子跳跃原理和高灵敏的成像系统测量单个离子的信号。2) 冷却离子的光频跃迁的测量和锁定: 采用离子量子跳跃的方法,测量冷却离子光频钟跃迁、原子精细结构的磁子能级及相关物理学常数, 获得相关原子分子体系的能级和辐射跃迁参数。探索Ramsey 方法在离子光频标中的应用,并完成光频锁定实验。3) 光频标的外场和环境效应的研究:建立第二套囚禁离子装置,细致开展电、磁场对精确谱的干扰和消除;环境对
17、精确谱的影响和消除,特别是囚禁的运动效应,AC-Stark 效应,电四极矩频移和黑体辐射效应的效应,以及新的频移机理和克服方法。4) 探讨奇同位素43Ca+实现光频标的可能性。奇同位素43Ca+离子的产生和囚禁。利用组合冷却方法实现43Ca+离子的激光冷却。研究43Ca+的超精细结构,寻找最佳的43Ca+光频标的离子跃迁能级。5) 量子逻辑Al+ 离子光频标的探索性研究。利用感应冷却实现Al+离子的冷却;研究影响量子逻辑高保真度运行的各种离子退相干机制;研究利用逻辑离子内部量子态变化来推断铝离子内部量子态变化的统计不确定性;探讨影响Al+离子光频标准确度的各种系统误差及可能提高途径。参加研究的
18、单位:中国科学院武汉物理与数学研究所,华中科技大学课题负责人:高克林主要学术骨干:何明、陆泽晃、黄贵龙、冯胜、邵成刚、黄毛毛课题2、冷原子光频标的机理研究目标:开展类碱土金属原子Yb的激光冷却、囚禁的基本物理过程的研究,获得类碱土金属冷原子气体;结合光场时频域精密控制技术与冷原子技术,开展冷Yb原子光钟的研究。研究类碱土金属原子1S0态能级的环境敏感性,探索光晶格和光晶格频标的新方案,完成Yb原子的钟态跃迁谱的测量与对应钟态跃迁频率的锁定,研制不确定度优于10-16的高精度光频标。主要研究内容:1) 冷Yb 原子的制备。在原已完成冷却实验基础上,进一步完善冷却的实验条件,对冷却的物理过程及参数
- 1.请仔细阅读文档,确保文档完整性,对于不预览、不比对内容而直接下载带来的问题本站不予受理。
- 2.下载的文档,不会出现我们的网址水印。
- 3、该文档所得收入(下载+内容+预览)归上传者、原创作者;如果您是本文档原作者,请点此认领!既往收益都归您。
下载文档到电脑,查找使用更方便
20 文币 0人已下载
下载 | 加入VIP,免费下载 |
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 2012 CB821300 光频标 关键 物理 问题 技术 实现