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----光频标

发布时间:2017-11-10          来源:邓科           浏览次数:

课题组成员:

团队负责人: 陆泽晃教授(zehuanglu@hust.edu.cn

教师: 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

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年,孙云龙

2014年,袁文豪,邓艾,秦承彬,欧阳兵

2015年,刘洋,李洁

2016年,林志芳,孙继芬,伍巍,周书玉,孙克雄

2017年,吕小龙,葛亚鹏,冯琛浩,张摘穷,晋路

 

一、主要研究方向 

    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。201011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1.0×10-17; 稳定度1.0×10-15 /sqrt t。自2011年以来光频标课题组获国家973计划、重点研发计划以及自然科学基金支持10项。

    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

为了提高铝离子光钟的钟激光的稳定性,自主设计搭建基于光学谐振腔的超稳激光系统,研制波长为1070 nm的超稳钟激光,对超稳激光系统的各项指标进行评估并优化,目标频率稳定度1×10-16。在低温环境下,光学超稳腔系统的热噪声极限进一步降低,将光纤激光器输出的激光频率锁定到超高精细度的FP腔的共振峰上,从而实现频率稳定度达5×10-17、线宽50 mHz以内的超稳钟激光。自主搭建完成一套基于30 cm超稳腔的超稳激光系统及两套基于10 cm超稳腔的超稳激光系统,初步完成各项系统误差评估,设计并完成多项噪声优化实验。完成4 K低温系统的搭建,自制的蓝宝石超稳腔的精细度达80万以上

3. 大型被动式激光陀螺仪

大型被动式激光陀螺仪旨在利用超高反射率腔镜搭建高品质因子环形腔并利用超稳激光干涉的方法测量地球的转动信号,目标灵敏度是经过噪声评估压制之后达到1×10-10rad/s/sqrt Hz @0.001Hz-1Hz,并实时地给出地球的自转信号。目前已完成1m×1m的大型被动激光陀螺仪原型机的搭建,实现被动式陀螺仪中顺时针与逆时针方向的两路闭环锁定。

4. 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

5. 铯喷泉钟

在国际单位制中,秒被定义在铯原子的基态超精细能级跃迁上,而铯喷泉钟是对秒定义复现准确度最高的精密仪器。依托精密重力测量国家重大基础设施,并面向精密时间频率标准的具体需求,我们正开展铯喷泉钟的研制工作。铯喷泉钟的设计准确度在10-16量级,秒稳在1-2×10-13水平,并基于CSO和低温技术进一步提升其性能指标,以满足本地时频标准驾驭的需求,并开展基本物理常数测量等基础科学前沿的研究。

6. 低温蓝宝石振荡器

低温蓝宝石振荡器(CSO)在短期积分时间内具有超高的频率稳定性和超低的相位噪声,这些优点是铯喷泉钟和离子钟所不具有的。因此,CSO可以给铯原子喷泉钟的微波综合链提供超稳的外参考频率源,是提高铯原子喷泉钟性能必不可少的频率参考系统,同时它可以给原子干涉绝对重力仪提供超低相噪的Raman本振源。第一阶段我们设计实现4K低温环境下的蓝宝石振荡器,设计目标为在1s-100s内稳定度达到10-16量级。

7. 空间激光

研制1064nm窄线宽激光器和光纤激光放大器;设计和搭建空间激光干涉测量平台;研究基于光学微腔的新型激光系统。


二、主要研究进展 
 

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
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2016年镁25离子拉曼边带冷却 

 

  2016年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).

14.  J-M. Le Floch, C. Murphy, J. G. Hartnett, V. Madrangeas, J. Krupka, D. Cros, and M. E. Tobar, "Frequency-temperature sensitivity reduction with optimized microwave Bragg resonators," J. Appl. Phys. 121, 014102 (2017).

15.  Yuanbo Du, Wenbing Li, Yapeng Ge, Hui Li, Ke Deng, and Zehuang Lu, "Note: A high-frequency signal generator based on direct digital synthesizer and field-programmable gate array,"  Rev. Sci. Instrum. 88, 096103 (2017).

16. Tingxian Zhang, Luyou Xie, Jiguang Li, and Zehuang Lu, "Theoretical study of the hyperfine-interaction constants and the isotope-shift factors for the 3s2 1S0–3s3p 3,1P01 transitions in Al+," Phys. Rev. A 96, 012514 (2017).

17.  M.A. Hosain, J.-M. Le Floch, J. Krupka, and M.E. Tobar, "Whispering Gallery mode ESR spectroscopy and parameters measurement in single crystal SrLaAlO4 at millikelvin temperature," Journal of Magnetic Resonance 281, 209 (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 

  • 201152-5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 IEEE频率控制研讨会与欧洲时间频率论坛的联合会议。

  • 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”

  • 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”        

  • 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。

  • 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。

  • 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                      

    • 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。

                 270AF

    • 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。2016114日至227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。

    • 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。

    • 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。 

     

     

     

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