左娅妮，戴少阳，曹士英，刘昆，陈伟亮，郑发松，李天初，房芳

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；
2.国家时间频率计量中心，北京 100029)

工作频率在光频的原子钟简称光钟，由于光频是微波频率的1×105倍，因此在相同线宽下光钟比微波钟拥有更高的Q值[1]。目前光钟的自评估频率不确定度已经超越了给出国际单位SI秒定义的铯喷泉钟，成为实现下一代秒定义的最佳候选方案[2]。根据参考频率物理体系不同，光钟分为离子光钟和中性原子晶格光钟，他们各具优势：晶格光钟同时囚禁数千个原子，信噪比高、频率稳定度高，但需要多维冷却和磁光阱，系统方案较为复杂；
离子光钟通常囚禁单个或少数几个离子，稳定度稍逊于晶格光钟，但离子的囚禁寿命和相干时间长、与背景噪声隔绝更好且系统简单紧凑，因此不确定度更低、更容易实现小型化和搬运。

目前，国际上基于囚禁离子和晶格中性原子光钟的准确度指标已经达到1×10-18甚至更好[3]。美国国家标准技术研究所(NIST)研制的基于逻辑谱的铝离子光频标频率不确定度已经进入1×10-19量级，另外德国联邦物理技术研究院(PTB)的镱离子光频标、美国NIST的镱原子光晶格和锶原子光晶格钟频率不确定度也经达到了小系数10-18。在国内，中国计量院、中国科学院国家授时中心、华东师范大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、华中科技大学、国防科技大学等单位研制的光钟都取得了阶段性的成果。国际计量咨询委员会(CIPM)时间频率咨询委员会(CCTF)据此现状制定的秒定义修改路线中重点指出，至少需要实现对3种或3种以上不同种光钟的频率进行10-18水平的比对测量。因此，为应对秒定义修改的国际形势，中国计量科学研究院(NIM)在锶晶格光钟的研究基础上[4]，开始设计和搭建基于端帽阱的单镱离子光钟。

每种作为离子光钟候选的离子都各具优劣，从系统频移和技术复杂度方面综合考虑，我们选择镱离子作为钟跃迁离子。带单电荷的镱离子具有类碱金属的能级结构，如图1所示。

注：图中显示了镱离子的冷却、重泵、离化、探测、钟跃迁对应谱线能级

171号同位素镱离子具有两条作为次级秒定义的钟跃迁谱线(电四极跃迁E2和电八极跃迁E3)，其E3跃迁上能级寿命超长(能级寿命达到约5.4年)，自然线宽在nHz量级，对外场扰动敏感度极低，通过进一步的压制各种系统频移(如黑体辐射频移、离子的运动频移、电四极频移、赛曼频移、激光功率引起的斯塔克频移等)，有可能建立不确定度较低的光钟，开展更高精度的精密测量物理验证实验，在其上可获得极低的不确定度。同时，镱离子相对原子质量大且冷却激光波长接近与背景气体反应生成分子离子(YbH+)的解离波长，因此，镱离子具有较长的存储时间(约16个月)。另外，用于操纵镱离子的激光器容易获得，而且相对稳定。

四极跃迁(E2)2S1/2(F=0)→2D3/2(F=2)波长436 nm，满足四极跃迁选择定则，相对八极跃迁禁戒程度低，自然线宽3 Hz，对操纵能级激光强度和稳定度要求相对低，是紧凑可搬运离子光钟的有力备选方案。不过相对短的能级寿命(53 ms)限制了四极跃迁镱离子钟最终性能。实验中值得注意的是，四极跃迁对于环境磁场稳定性要求高于八极跃迁。八极跃迁(E3)2S1/2(F=0)→2F7/2(F=3)波长467 nm，自然线宽极窄在nHZ量级，钟跃迁探测无需考虑能级寿命限制，由于激发的是内层电子跃迁，因此八极跃迁对环境电磁场扰动更加不敏感，灵敏度相对于四极跃迁低一个数量级。尽管八极跃迁是极好的频率参考，但由于跃迁概率较低，需要很高功率的激发光强(大约比其他跃迁高8个数量级)，因此需要特别注意激光线宽并采用Hyper-Ramsey技术，以降低与其他能级的非共振耦合和光频移。

本实验系统设计同时针对四极和八级跃迁，考虑实验复杂度，首先开展四极跃迁相关工作，因此激光稳频光路中仅给出四极跃迁钟激光对应的稳频光路，不过八级跃迁与其原理相同。镱离子光钟系统包括光学系统、物理系统、数据采集和控制系统，其中物理系统包含封装端帽阱的真空系统和射频电压驱动部分，光学系统包括各激光及光梳等部分。实验中，我们使用双非球面透镜通过PMT和EMCCD收集离子的荧光。为验证系统可行性，首先在其上开展E2跃迁实验，考虑到环境磁场对E2跃迁的影响，我们还建立了一个由亥姆霍兹线圈和两层坡莫合金的磁屏蔽系统。目前，封装离子阱的真空腔真空度优于1×10-8Pa。图2 给出的部分光路是冷却、泵浦、离化、探测4束激光合束后入射进离子阱的示意图，以及真空系统的示意图，其中图 2(a)和(b)分别为侧视图和俯视图。图中展示从其他光学平台传来光纤的耦合器，以及长方体真空腔实际尺寸仅为200×100×80 mm3(图中加入了比例尺)，后期完全可以配合各激光器集成在工控机柜中。

图2 镱离子光钟部分物理系统和光学系统示意图

镱离子冷却设计采用直接多普勒冷却，冷却光波长为369.526 nm，与2S1/2到2P1/2跃迁共振。考虑到上能级2P1/2的超精细分裂，实验中用14.7 GHz的EOM产生微波侧边带，同时施加强磁场确保冷却效率。由于2P1/2能级可能落到亚稳态2D3/2，因此使用935.2 nm的激光将离子泵浦回基态。离子冷却通过激发偶极跃迁2S1/2(F=1)→2P1/2(F=2)实现，对应波长370 nm，本实验采用外腔半导体激光器倍频产生冷却激光，将腰斑约50 μm的光束聚焦于阱中心位置，相同腰斑尺寸的935 nm泵浦光与冷却光合束。

由于单个离子的荧光信号较弱且信噪比较低，钟的短期稳定性受到量子投影噪声的限制，不确定性评估需要较长时间，系统选择通过光梳锁定各级波长激光[5-6]，如图3所示。

离子阱是囚禁离子以及离子与激光相互作用的场所，是离子光钟最为重要组件之一。离子阱的电场分布对离子的稳定囚禁，以及最终光钟不确定度具有决定性作用。

为达到较低的不确定度，需要仔细考虑离子阱设计，通过选择合理的几何结构和热辐射特性材料，可以延长离子的囚禁时间和降低系统频移及其不确定度。因为Penning 阱所需磁场对钟跃迁谱线的影响，离子光钟通常使用Paul阱。对于不同几何构型的Paul阱，尽管双曲面电极可以产生完美四极电势，但是加工难度和通光孔径的需求，实验中通常都采用变型。线型阱(包括刀片型及芯片型)通常用于囚禁多个离子，囚禁单离子的适用于球型离子阱也有环形和端帽型。其中，端帽型对阱电极的加工精度要求更低且更简单，拥有更大的通光范围。因为我们的目标是囚禁单个离子，更低的不确定性，更低的复杂性，因此采用端帽类型。

为实现单个镱离子的稳定囚禁，实验采用德国PTB设计的Schrama型端帽阱施加交变电场，其中直径0.6 mm的端电极分离1 mm。端帽型Paul阱具有开放的激光耦合角，有利于开展多维冷却且降低系统复杂度和温度不确定度，确保并提高黑体辐射频移评估的准确性。离子通过光离化原子蒸汽产生，其中金属镱装在靠近离子阱中心的金属管内，通电加热原子炉产生少量蒸汽。

离子在交变电场中运动可由偏微分方程组解出，稳定囚禁的参数(包含离子质量、电荷、驱动电压频率、幅值)对应方程组有稳定不发散解的参数区间，反过来对实验中施加电压幅度和频率提出了要求。为了获得本实验中端帽阱稳定囚禁镱离子的高压射频电场，本文设计和搭建了低噪声、高压、稳定的功率放大器，即螺旋谐振器。螺旋谐振器可以同时满足信号源与离子阱的阻抗匹配、功率放大、以及噪声滤除需求。

交流电场URF加载在端电极上，外部电极接地。实验中，通常在外部电极加载较小的直流电压，补偿离子偏离势阱中心引起的剩余微运动。为了稳定囚禁离子，选择合适的加载在电极上的电压和频率可以使离子运动的偏微分方程有稳定解。加载的交变射频场将在端帽阱中心产生等效间谐势场。

选择合适的参数后，则需要将射频电场加载到离子阱。因为离子阱相当于容性元件，驱动源需要通过放大阻抗匹配到离子阱。为了稳定囚禁离子，离子阱的射频驱动电压需要同时满足低噪声、高压、功率稳定的要求，表明驱动电路同时具有放大和滤波的特性[7-9]。

离子运动的监视和信号的探测通过两个大真空窗口之一实现，更换CCD或PMT并使其靠近窗口可增大荧光收集效率和等效立体角。根据离子运动方程得到运动频率，可以将离子运动分为等效简谐势场对应的宏运动和由驱动射频电场引入的微运动。得益于镱离子较大的相对原子质量，本实验拟通过多普勒冷却实现单离子的冷却制备。微运动的压制通过靠近离子阱的补偿电极馈入直流电压实现。

实验设计的螺旋谐振器实现了信号源和离子阱之间的阻抗匹配。谐振器的三维结构和内部线圈如图 4(a)所示，通过设计不同尺寸和匝数，初步装配到离子阱上测得的品质因子满足实验需求。本文使用的谐振器，工作在频率Ω=2π×25 MHz，电压300 V，Q值175，如图 4(b)所示。与其他科研小组现阶段已经实现离子稳定囚禁的课题组相比，初步满足实验需求，如表1所示，但还有进一步提升的空间。

图4 驱动离子阱的螺旋谐振器

表1 射频驱动器研究现状

面对秒定义变革挑战，考虑到镱离子光钟紧凑稳定的优势，本文介绍了计量院基于端帽阱的镱离子光钟初步的系统设计和搭建。

目前使用次级线圈的支撑结构可能影响系统Q值，下一步拟采用更大直径的次级线圈。另外，通过直接焊接的方式进一步降低损耗，改善材料的抗氧化性能(镀银或高导电无氧铜)，使用更低电导率的材料固定线圈(PU泡沫)等措施，有望进一步提高谐振器Q值。

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