English
 
通知: ·6月22日学术报告    ·6月16日学术报告    ·6月13日学术报告    ·6月12日学术报告    ·6月9日学术报告   
 
 


  研究方向

  研究小组
  ·2013年5月小组照片
·2014年9月小组照片
  研究方向
  科研项目
  研究成果
  ·发表论文
·获奖
·专利
  最新进展
 

研究方向 您的位置是: 首页 > 科学研究 > 研究方向 > 正文

 

----光频标

发布时间:2015-12-23          来源:邓科           浏览次数:

一、主要研究内容

    高精度时间频率标准的研究对基本物理常数(如精细结构常数)稳定性的测量以及下一代秒的重新定义有重要的科学意义。2010年11月引力中心立项开始进行铝离子光频标的研究,第一阶段设计目标为系统误差好于1.0E(-17); 稳定度1.0E(-15) /Öt。目前已完成采购用于铝离子光频标的设备、材料,总投入经费超过2000万人民币。自2011年以来光频标课题组获国家973计划以及自然科学基金支持6

       利用267.4 nm的铝离子3s2 1S0-3s3p 3P0超窄线宽(自然线宽8mHz)跃迁线作为单离子光频标跃迁线的想法最早由1989年诺贝尔得主H. Dehmelt提出。该跃迁线具有很高的Q值,1.4E(17),而且上下跃迁能级的电四极矩皆为零,从而使钟跃迁线不受离子阱电场梯度的影响。此外,铝离子钟跃迁线受黑体辐射的影响是目前已知所有光频标中最小的,室温下为4E(-19)。要实现铝离子光频标,最直接的办法是利用激光冷却技术将铝离子运动冷却到Lamb-Dicke范围,再由一台稳频钟激光扫描钟跃迁线。这种方法要求铝离子具有一个循环冷却跃迁线,但对于铝离子来说,冷却激光波长为167nm,目前世界上还没有这种激光器。为了解决这个难题,2012年诺贝尔得主、美国NIST的Dave Wineland小组首先提出基于量子逻辑铝离子光频标,通过探测系统外部自由度(振动量子数)来确定内部量子态跃迁。将离子内部量子态不受环境影响,而外部自由度可有效探测的优势相结合,从而实现新的时间频率标准。当前镁25离子作为逻辑离子,与铝离子一同囚禁在阱中,镁25离子将起到协同冷却铝离子和铝离子内态探测的作用。

    课题组主要研究方向有:

1.离子囚禁与冷却系统研究

    线性离子阱及其驱动电路的设计与搭建;离子阱真空系统与光学系统的设计和搭建;

   实现铝离子/镁离子量子逻辑光谱

2.超稳钟激光系统研究

    设计和制造特殊结构的可调零热膨胀点超低热噪声极限超稳光学谐振腔;超稳腔真空

      系统的设计和搭建;超稳激光大带宽、低噪声PDH锁定技术的研究;超稳激光指标评

      估系统的设计和搭建;超稳激光Dick效应影响的研究 

3. 飞秒光梳系统

    飞秒光梳锁定到超稳激光;飞秒光梳测量铝离子钟跃迁谱线频率;超稳激光低噪声传

    递至离子阱系统并实现闭环锁定;两套离子阱系统相互比对

4. 低温蓝宝石振荡器

     设计实现4K低温环境下的蓝宝石振荡器,第一阶段设计目标为在1s-100s内稳定度达

        到10-16量级。


 

二、主要研究进展 
       实验中使用了一个线型Paul阱来囚禁离子,该Paul阱由4个刀片电极和两个帽电极组成,被放置于超高真空腔的中心。两个内嵌式的窗口以及两组自制的成像系统用来收集离子发出的荧光。一台285nm和一台394nm的激光用来光离化镁原子和铝原子。一台280nm的四倍频激光器用来冷却以及探测镁离子。在280nm的二倍频与四倍频之间, 放置一个电光调制器来产生9.2GHz的边带。激光的蓝边带用于镁离子多普勒冷却以及态探测,基频光则用于镁25离子的拉曼边带冷却。一台267.4nm的四倍频激光作为铝离子光频标的钟激光,一台267.0nm的激光作为量子逻辑的辅助激光。

 铝离子光频标需要超窄线宽的激光作为钟激光。我们将一台波长为1070nm的半导体激光器利用Pound-Drever-Hall (PDH)锁定技术锁相至一套超稳腔系统。锁定后的激光经过放大,再经两次倍频产生267.4nm的紫外光输出。为了能够实现钟跃迁的快速探测,我们还需要一台波长为267.0nm,线宽在百赫兹量级的激光来辅助实现量子逻辑探测。这一波长的激光由另外一台种子激光为1068nm的半导体激光来实现。1068nm的半导体激光锁相至第二套超稳腔系统,然后四倍频产生所需的紫外光。我们将两套振动免疫设计的ULE超稳腔分别放置在两个真空室内,并对其进行主动温控。超稳腔的腔长为10cm,腔的线宽大约为10kHz。

 课题组于2011年利用有限元分析方法,分析了不同离子阱结构中心电场分布的均匀性。在理论分析的指导下,设计加工了全钛的离子阱及其所需的真空系统。2012年加工和制作了Q值为300的离子阱驱动振荡器,驱动频率为24MHz,搭建了第一套离子阱真空系统,真空度达到3E(-8)Pa,实现了镁离子的囚禁冷却2013年利用主动控温的高精度波长计,实现了280nm镁离子冷却激光的长期锁定。将1120nm的种子激光器的频率漂移从自由运转时144MHz/h压制到最大120kHz/h2014年观察到了镁离子基态超精细能级|F=3;m=3>|F=2;m=2>之间的拉比振荡。2016年优化了镁25离子的拉曼边带冷却策略。

 超稳激光部分:开展基于10 cm、30 cm长超稳腔及低温超稳腔的实验研究。根据有限元分析方法确定超稳腔的优化支撑方案,在这个特殊的位置上支撑超稳腔,振动引起的腔长变化和镜面倾斜都会同时被消除。实现mK量级的真空室整体环境控温。为了实现线宽的测量,已完成两套独立的超窄线宽钟激光系统的组建,并将两台1070 nm种子激光通过PDH稳频分别锁定到两套超稳腔的共振峰上。激光器泵浦电流作为快速调制环路,压电陶瓷作为慢速调制环路。反馈控制带宽可达到1.5 MHz左右。将稳定后的两套系统进行拍频比对,拍频线宽0.74 Hz,秒稳达到1E(-15),达到10 cm超稳腔的热噪声极限。 

     

 2012囚禁冷却并晶格化的Mg离子

 

2013Mg25离子的荧光

 2014Mg离子拉比振荡


undefined

2016年镁25离子拉曼边带冷却 

 

  2016两套独立超稳激光拍频结果

 

三、主要研究成果:  

 发表期刊论文:

1.    J. Zhang, W. H. Yuan, K. Deng, A. Deng, Z. T. Xu, C. B. Qin, Z. H. Lu, and J. Luo, “A long-term frequency stabilized deep ultraviolet laser for Mg+ ions trapping experiments,” Rev. Sci. Instrum. 84, 123109 (2013).

2.    J. Zhang, Y. X. Luo, B. Ouyang, K. Deng, Z. H. Lu, and J. Luo, “Design of an optical reference cavity with low thermal noise limit and flexible thermal expansion properties,” Eur. Phys. J. D 67, 46 (2013).

3.    K. Deng, Y. L. Sun, W. H. Yuan, Z. T. Xu, J. Zhang, Z. H. Lu, and J. Luo, "A modified model of helical resonator with predictable loaded resonant frequency and Q-factor," Rev. Sci. Instrum. 85, 104706 (2014).

4.    K. Deng, H. Che, Y. Lan, Y. P. Ge, Z. T. Xu, W. H. Yuan, J. Zhang, and Z. H. Lu, "Design of blade-shaped-electrode linear ion traps with reduced anharmonic contributions," J. Appl. Phys. 118, 113106 (2015).

5.    J. Zhang, W. Wu, X. H. Shi, X. Y. Zeng, K. Deng, and Z. H. Lu, "Design verification of large time constant thermal shields for optical reference cavities," Rev. Sci. Instrum. 87, 023104 (2016). 

6.  J. Zhang, X. H. Shi, X. Y. Zeng, X. L. Lü, K. Deng, and Z. H. Lu “Characterization of electrical noise limits in ultra-stable laser systems,” Rev. Sci. Instrum. 87, 112105 (2016).

7.    J.-M. Le Floch, N. Delhote, M. Aubourg, V. Madrangeas, D. Cros, S. Castelletto, and M. E. Tobar, "Towards achieving strong coupling in three-dimensional-cavity with solid state spin resonance," J. Appl. Phys. 119, 153901 (2016).

8.    G. P. Lin, S. Diallo, J. M. Dudley, and Y. K. Chembo, "Universal nonlinear scattering in ultra-high Q whispering gallery-mode resonators," Opt. Express 24, 14880 (2016).

9.    邓科, 张洁, 石晓辉, 徐泽天, 柳奎, 车煌和陆泽晃, "基于量子逻辑技术的铝离子光频标研究进展," 中国科学: 物理学 力学 天文学 46, 073004 (2016).

10.   R. Dumke, Z. H. Lu, J. Close, N. Robins, A. Weis, M. Mukherjee, G. Birkl, C. Hufnagel, L. Amico, M. G. Boshier, K. Dieckmann, W. H. Li, and T. C. Killian, "Roadmap on quantum optical system," J. Opt. 18, 093001 (2016).

11.  G. P. Lin and Y. K. Chembo, "Phase-locking transition in Raman combs generated with whispering gallery mode resonators," Opt. Lett. 41, 3718 (2016).

12.  Jie Zhang, Ke Deng, Jun Luo, and Ze-Huang Lu, “Direct laser cooling Al+ Ion optical clocks,” Chin. Phys. Lett. 34, 050601 (2017).

13.  H. Che, K. Deng, Z. T. Xu, W. H. Yuan, J. Zhang, and Z. H. Lu, "Efficient Raman sideband cooling of trapped ions to their motional ground state", Phys. Rev. A 96, 013417 (2017).


 

发表会议论文:

1.    Y. X. Luo, J. Zhang, B. Ouyang, K. Deng, Z. H. Lu, and J. Luo, “Design of an Optical Reference Cavity with Flexible Thermal Expansion Tuning Properties,” Proceedings of 2012 European Frequency and Time Forum, page 182, Gothenburg, Sweden, 2012.

2.    K. Deng, Y. L. Sun, Z. T. Xu, J. Zhang, Z. H. Lu, and J. Luo, “Design and Construction of Helical Resonators for Ion Traps,” Proceedings of 2013 Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium, page 898, Prague, Czech Republic, 2013.

3.    K. Deng, Z. T. Xu, W. H. Yuan, C. B. Qin, A. Deng, Y. L. Sun, J. Zhang, Z. H. Lu, and J. Luo, “Progress Report of an 27Al+ Ion Optical Clock,” Proceedings of 2013 Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium, page 383, Prague, Czech Republic, 2013.

4.    Y. X. Luo, B. Ouyang, X. Y. Zeng, A. Deng, C. B. Qin, K. Deng, J. Zhang, Z. H. Lu, and J. Luo, “Progress Report on the Development of Ultra-stable Lasers for 27Al+ Optical Clocks,” Proceedings of 2013 Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium, page 385, Prague, Czech Republic, 2013.

5.    Z. T. Xu, X. Y. Zeng, X. H. Shi, H. Che, K. Deng, J. Zhang, and Z. H. Lu, Towards an 27Al+ Ions Optical Clock,” Proceedings of 2014 European Frequency and Time Forum, page 419, Neuchatel, Switzerland, 2014.

6.    C. H. Feng, Y. L. Sun, W. Wu, J. Zhang, J-M. Le Floch, Z. H. Lu, Investigation on the microwave cryogenic sapphire clocks, 2015 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), vol. 3, Nanjing, 2015.

7.    Z. T. Xu, W. H. Yuan, X. Y. Zeng, H. Che, X. H. Shi, K. Deng, J. Zhang, and Z. H. Lu, “Recent progress on the 27Al+ ion optical clock,” Journal of Physics: Conference Series 723, 012026 (2016).

 

四、学术交流情况 

  •  2011年5月2-5日,课题组陆泽晃老师和张洁老师一行2人参加在美国旧金山举办的第5届 IEEE频率控制研讨会与欧洲时间频率论坛的联合会议。  

  •                                                           10E91

  • 2011年,美国旧金山金门大桥

  • 20111217-24日,新加坡南洋理工大学的助理教授Rainer Dumke在引力中心参观访问,1219日做了题为“Superconducting Atom Chips”的报告。与光频标课题组就离子囚禁,控制时序等方面进行了深入地研讨,并就如何进一步展开合作进行了深入探讨。

  • 2012423-27日,课题组邓科老师与骆颖欣博士生一行2人参加在瑞典哥德堡举办的第26届欧洲时间频率论坛,会上骆颖欣张贴报告“Design of an Optical Reference Cavity with Flexible Thermal Expansion Tuning Properties”

  •                                     14872

  • 2012年,瑞典哥德堡Chalmers大学

  • 2012124日,National Physical Laboratory (NPL)Krzysztof Szymaniec来引力中心做了题为 Caesium fountain clocks: reaching the ultimate accuracy的报告,介绍了NPL铯喷泉钟的研究进展。

  • 2013721-25日,课题组陆泽晃、张洁、邓科老师和博士生曾晓意、徐泽天、骆颖欣一行6人参加在捷克布拉格举办的第6IEEE频率控制研讨会与欧洲时间频率论坛的联合会议,会上骆颖欣和曾晓意张贴报告“Progress Report on the Development of Ultra-stable Lasers for 27Al+ Optical Clocks”;徐泽天张贴报告“Progress report of an 27Al+ ion optical clock”;邓科老师张贴报告“Design and construction of helical resonators for ion traps”

  •                                                   20FD9                                         211E2

  • 2013年,捷克布拉格

  • 201399-13日,课题组张洁老师参加了在加拿大魁北克城举办的魁北克-中国双边光子学会议总结,会上作了题为“Ultralow phase noise microwave generation with frequency combs”的口头报告。

  •                           BCD7

  • 2013年,加拿大魁北克城Laval大学

  • 201468-13日,孙敬华教授参加在美国加州圣何塞(San Jose )举行的Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO2014)国际会议。

  •                           F897

  • 2014年,美国加州圣何塞

  • 2014623-27日,课题组陆泽晃老师、张洁老师、邓科老师、徐泽天博士生一行4人参加了在瑞士纳沙泰尔举办的第28届欧洲时间频率论坛,会上徐泽天博士生张贴报告“Towards an Al+ optical clock”,另外在会议期间的离子阱专题工作会议上,陆老师作了题为“Progress Report of an 27Al+ Ion Optical Clock”的口头报告。

  •                           186CD

  • 2014年,瑞士纳沙泰尔  2014年,瑞士日内瓦

  •                         1DDA5

  • 2014年,瑞士纳沙泰尔Frequency Standards with Trapped Ions Satellite Workshop

  • 201522-6日,陆泽晃老师参加了德国IUPAP基本物理常数会议,议程安排讨论了10个主题:包括Rydberg constant spectroscopyProton radius (scattering)Fine structure constantPlanck and Avogadro constantsBoltzmann constantGravitational constantMagnetic momentsAnomalous magnetic moment of muonEvaluation of atomic and nuclear parametersPositronium

  • 2015527号到30号博士生徐泽天参加了在德国PTB召开的591 We-Heraeus-Seminar on Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants (ACFC 2015)

  • 2012-12-04 National Physical Laboratory (NPL)Krzysztof Szymaniec来引力中心做了题为 Caesium fountain clocks: reaching the ultimate accuracy的报告,介绍了NPL铯喷泉钟的研究进展。

  • 2015924-25日,光频标组的陆泽晃教授,张洁副教授,Jean-Michel Le Floch副教授,博士生曾晓意以及硕士生冯琛皓同学参加在北京举行的“2015年全国时间频率标准交流会议”。其中曾晓意和冯琛皓分别作了“用于铝离子光钟的稳频激光器”和“影响低温蓝宝石微波钟性能的研究”的报告。冯琛皓获得“优秀青年论文”的奖励。

  • 2015.6.20-2015.6.25,陆泽晃老师和博士生袁文豪两人去德国慕尼黑参加CLEO-EURO 2015会议,进行了激光和光电子学方面的交流和学习,期间袁文豪张贴了题目为“Progress on 27Al+ optical clock”的海报。

  • 2015215日至2015526, 博士生徐泽天去德国物理技术研究所(QUSET-PTB Braunschweig)进行了三个月的学习交流。期间他设计搭建了两套高效的荧光采集系统,实现了一套倍频腔和两套钡离子的拉曼光光路。同时学习了如何实现拉曼边带冷却以及量子逻辑技术。德国导师Piet Schimdt教授对他的工作给予了高度评价,并提出了今后与物理学院设立学生交流项目的意愿。

  •  2015527日至201561日,博士生徐泽天去德国巴特洪内夫参加WE-Heraeus Seminar: Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants会议,进行了光钟以及基本物理量测量方面的交流和学习。期间张贴了题目为“Recent Progress on the 27Al+ optical clock”的海报。

  •                    1A258                           14FCB

  •                       270AF

  • 2016年1月14日至2月27日,博士生石晓辉去澳大利亚西澳大利亚大学EQUS实验室进行了一个半月的学习交流。期间他学习了低温蓝宝石微波振荡器系统的原理,以及该系统中的4K低温制冷系统、10uK量级温度控制系统、基于液氦的低温减振系统和基于微波干涉仪的相位噪声测试技术。

  • 2016620日到23日,陆泽晃老师和博士生柳奎同学参加了在德国慕尼黑附近Tutzing小镇召开的第四届国际旋转地震学工作组会议。柳奎同学代表实验室作了“A large-scale passive laser gyroscope based on ultra-stable lasers”的口头报告。会议围绕旋转地震学这门新兴学科开展,议题包括便携式传感器、激光技术和干涉仪、阵列法获得旋转信号以及旋转地震学的应用四个方面。

  • 2016629-76日,博士生车煌同学在意大利Varenna小镇参加了为期6天的SIF International School of Physics "Enrico Fermi"。进行了两个为期三天的课程学习,分别为“计量原理”和“物理计量与基本常数”。开拓了计量学视野,了解到国际上对新的SI单位制标准的热情和方案。并与暑期学校的多位老师和参会同行就相关课题进行了深入的探讨。

 

 

  • 课题组成员:

  • 团队负责人:

  • 陆泽晃教授(zehuanglu@mail.hust.edu.cn

  • 成员:

  • 张洁副教授, Jean-Michel Le Floch副教授, 林国平副教授, 邓科讲师

  •  

  • 博士后:

  • 杜远博博士, 李文兵博士,刘洪力博士,叶艳霞博士


  • 博士生:

  • 徐泽天,曾晓意,孙云龙,石晓辉,车煌,袁文豪,柳奎,张风雷,程飞虎,李慧,王志远,马智宇,郝鹏,宋鑫鑫

  • 硕士生:

  • 奚靓,宣玲玲,刘艳红,纪然然,黄绍卿,马建民,曹娅琴,魏文哲,侯翠芳,邵显洁,闫春杰


  • 已毕业硕士生:

  • 2013, 孙云龙

  • 2014, 袁文豪,邓艾,秦承彬,欧阳兵

  • 2015, 刘洋,李洁

  • 2016, 林志芳,孙继芬,伍巍,周书玉,孙克雄

  • 2017,吕小龙,葛亚鹏,冯琛浩,张摘穷,晋路

下一篇:----光频标
 
 
 

Copyright (C) 华中科技大学引力实验中心 地址:湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号 邮编:430074 技术支持:尚网互联