用光频梳测量光学原子钟的频率

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计量荟萃

目前，该研究组正开展进一步研究工作以期提升这项技术的表现。比如这种光源可以实现多么迅速的开关操作以符合光通信的要求？另外也需要开发相应的技术使其能够被整合到可折叠的基底材料上去。（来源：腾讯科技）

ＮＰＬ：用光频梳测量光学原子钟的频率

DOI:10.16569/11-3720/t.2015.07.027

英国国家物理实验室（NPL）的研究人员证明了两种不同类型的飞秒光频梳之间具有高度一致性，飞秒光频梳是用来测量新一代原子钟频率的仪器。

NPL的基准钟是一台铯原子喷泉钟，复现现在的利用铯原子定义的SI单位“秒”。但是，现在科学家研究的光钟的计时准确度比现有最好的铯原子钟的准确度都高，光学原子钟利用的是激光冷却的离子和原子。计时准确度的提高说明未来科学家会利用光学频率重新定义秒。但是作为基础，要先比较多种类型的光学原子钟，以此评价用它们计时的不确定度及其与现有铯原子钟的对比，并将光学原子钟的频率与现在的“秒”定义联系起来。

为比较多种类型的光学原子钟，NPL使用的工具是飞秒光频梳。飞秒光频梳依靠的是激光器，激光器发出光脉冲，脉冲的周期极短，达到飞秒（10-15s）级别。在频域构成了一个等间距频率分布的光谱，这些频率就相当于一把梳子上的齿，科学家利用这些梳齿准确地测量光频。

如果飞秒光频梳对光频测量的准确性没有限制，就要清楚使用光梳的测量不确定度比其测量的原子钟的不确定度小。

在《计量学》杂志刊载的一项新研究中，来自NPL的Luke Johnson、Patrick Gill和Helen Margolis比较了两种不同类型的飞秒光频梳，评价了它们的系统不确定度，一个依靠的是钛-蓝宝石激光器，另一个依靠的是掺铒光纤激光器。比较光频与微波频率（比如铯原子钟的频率）时，两种光频梳的差别为5×10-18，而比较两种光学原子钟的频率时，两种光频梳的差别为3×10-21。这些结果证明了两种飞秒光频梳具有高度的一致性，并且远远超过了最先进的光学原子钟（小于10-17）和铯原子钟（约为1×10-16）的系统不确定度。

在为未来重新定义SI单位秒做准备时，准确地比较不同光学原子钟的频率以及光学原子钟的频率和现有的铯原子钟频率标准至关重要。实验室这项新的研究证明，虽然光学原子钟的不确定度仍将提高，但是飞秒光频梳对实验室原子钟频率测量不确定性的影响可以忽略。

最近，NPL利用这两个飞秒光频梳测量了镱离子光学钟中两次跃迁的光频比，以及两次跃迁的频率与铯原子钟基本频率标准的比较。这些测量帮助科学家提高了对现在的基本物理常数随时间改变特性的约束。

日前，发表研究论文的两位作者对科学的重大贡献得到了认可。光频标准与计量部门高级研究员Patrick Gill在2015女王新年授勋仪式中以其对科学的贡献获得大英帝国勋章，Helen Margolis成为光频标准与计量部门的学术研究员（NPL Fellow）。（闫罡编译）

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中国计量2015.7