铯喷泉钟小组简介

课题背景：

频率是目前测量准确度最高的物理量，其他物理量的精确测量也都是间接或直接地转换为时间频率的测量来实现高精度的测量。铯喷泉钟是复现“秒”定义准确度最高的基准装置，相对频率精度在 10^-16 量级，相当于几十亿年不差一秒。基于它的高稳定性和准确度，在守时与授时、通讯、卫星导航等领域都有很重要的应用。

钟的发展伴随着人类科学文明发展进步的各个阶段，早期人类依靠自然界的周期性现象进行计时，例如将天体的显著运动、季节或潮汐的周期作为时间间隔，以此来建立计时序列用作自然时间的测量。随着文明的进步，日晷、水钟以及沙漏等人造钟的出现可以将一天划分为较短的时间段。为了满足工业发展的需要，出现了机械钟，单摆钟，计时精度约为10 s，转化为相对频率精度在10^-4量级。随着电子技术的发展和晶体振荡器的普遍应用，基于石英晶体压电效应的石英钟在美国的贝尔实验室问世，石英晶体可以与特定频率的电场发生共振，避免了由于复杂的齿轮系统产生的阻尼影响，计时精度达到了10^-9量级。由于石英钟内部的石英晶体逐步老化等因素，使用时间越长计时的误差也就越大，为此需要一个精度高，能够长期稳定测量的计时工具。

原子钟的发展使得时间计量的精度飞速提高。与其它钟不同的是，原子钟利用原子的跃迁能级作为其“钟摆”，其振荡频率与原子的能级间隔有关，只有产生与之相干的电磁波才能将其耦合到时钟装置中。

铯原子钟的快速发展推动了对基本单位“秒”的重新定义。1967年第十三届国际计量大会（Conférence Généraledes Poidset Mesures, CGPM）上，第13届国际计量大会通过决议，采用基于原子跃迁的“原子秒”取代“天文秒”进行秒的定义，将“秒”定义在 133 Cs 原子未扰动基态超精细跃迁对应的 9 192 631 770 个电磁振荡周期上，称为“原子秒”

铯喷泉钟是复现“秒”定义的基准装置，相对频率精度在 10^-16 量级，相当于几十亿年不差一秒。基于它的高稳定性和准确定，其在守时与授时、通讯、卫星导航等领域都有很重要的应用。课题组目前已经完成了第一套铯喷泉钟（HUST-CsF1）的搭建工作、正在进行第二套铯喷泉钟（HUST-CsF2）的搭建，为精密重力测量国家重大科技基础设施（National Precise Gravity Measurement Facility, PGMF）提供满足重力测量基准需求的本地时频标准。同时我们课题组正在研制的铝离子光频标，以其超高的不确定度指标，成为下一代秒定义的强力候选者。借助光梳架桥，铯喷泉钟可实现对铝离子光频跃迁频率比对，以检验物理常数是否随时间变化。

我们课题组于2016年开始铯喷泉钟的方案设计工作，2018年正式启动HUST-CsF1系统搭建，目前已实现相对频率不确定度8.8×10^-16，相对频率稳定度稳为1.9×10^-13/√τ。HUST-CsF2于2023年启动系统搭建，已完成于真空物理系统的搭建。

课题现状：

本项目包含两套铯喷泉钟HUST-CsF1和HUST-CsF2。铯喷泉钟包含真空物理系统、光学系统、微波源和电子学系统四个子系统，要实现喷泉钟闭环锁定、误差评估并投入使用，每个部分都缺一不可。目前我们团队已经完成了第一套铯喷泉钟HUST-CsF1的搭建与初步评估，接下来是对系统各部分进行优化升级。目的将稳定度提升至5×10^-14/√τ，相对频率不确定度提升至3×10^-16。

自主设计的真空物理系统如图1所示，于2018年12月20号完成系统装配与抽真空，目前真空度优于1.8×10^-8 Pa，满足原子冷却的实验需求。

图1 铯喷泉真空物理系统实物图

光学系统为铯原子冷却囚禁、上抛和布居数探测等操作提供所需的激光，光学平台搭建的空间光路通过光纤传输给真空物理系统。目前实验中所需要的光路均已搭建完成，实物如图2中所示。

图2 铯喷泉钟光学系统实物图

微波源为真空物理系统提供微波鉴频信号，图3是为我们组自主研制的微波源实物图，实测的9.192 GHz信号的相位噪声水平在低频段达到了恒温晶体振荡器频率综合的理论极限，如图4中所示。

图3 自主研制的微波源实物图

图4 微波源相位噪声

与此同时，我们还在研究光生微波、低温蓝宝石振荡器用于铯喷泉钟的本地振荡器，以提升铯喷泉钟的稳定度指标。

HUST-CsF1于2024年通过了精密重力测量国家重大科技基础设施的国家级验收，验收时测量的相对频率稳定度如图6所示，结果为1.9×10^^-13/√τ，优于验收指标。

图5 HUST-CsF1的相对频率稳定度

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。第一阶段我们已经实现4K低温环境下的10^-15量级的低温蓝宝石振荡器。第二阶段进行改进升级以及实现应用，目标为产生频率稳定度达到10-16量级的超低相位噪声微波源。蓝宝石如图7所示，CSO物理系统如图8所示。

接下来CSO产生的超稳信号将通过光纤链路传递，为HUST-CsF1的微波综合链提供超稳的外参考频率源，从而提高HUST-CsF1的频率稳定度。

图6 CSO中的蓝宝石          图7 CSO物理系统

后续研究工作：

后续我们将利用光生微波、低温蓝宝石振荡器作为铯喷泉钟的本地振荡器，提升信噪比。展开两套铯喷泉钟频率比对、与国际原子时进行频率比对、与铝离子光频标进行频率比对、与武汉精测院的钙离子、铝离子光钟进行频率比对，探测物理结构常数是否随时间变化、研究基本的物理规律。

团队介绍：

喷泉钟项目负责人为陆泽晃教授，团队中包含一位工程师，两名博士生，两名硕士生，科研团队具有较强的凝聚力和战斗力，严谨而又轻松的团队氛围让我们组员更加融入科研生活。目前课题组博士后出站2人，博士已毕业1人，硕士毕业6人，形成了合理的人才培养结构。课题组重视学术交流合作，培养学生的国际视野。图9是博士生李慧同学在美国奥兰多参加EFTF-IFCS会议的照片，图10博士生钟恩才在瑞士纳沙泰尔参加EFTF会议与femto-st研究所的Vincent Giordano展开了深入的讨论，会后拍的合影。图11是博士生刘明明参加在瑞士纳沙泰尔参加EFTF会议与参会者展开深入讨论的照片。欢迎有兴趣的本科实习生、研究生、博士以及相关科研人员的加入。

请联系陆泽晃老师（zehuanglu@mail.hust.edu.cn）或刘洪力博士（liuhongli@hust.edu.cn）。

特别感谢：

低温蓝宝石系统的搭建者，已经返回法国的国际友人：Jean-Michel Guy Le Floch；

HUST-CsF1的创业者、已出站博后：杜远博 博士；

HUST-CsF1微波相关设计者、已出站的博士后：李文兵 博士；

HUST-CsF1的创业者，已毕业博士生：李慧；

已毕业硕士生：冯琛浩、宣玲玲、刘艳红、邵艳艳、马建民，黄邵卿、杨仙、郭蕴仪、刘明明、邓学岑、陈志荣、周振宇

团队照片

图8 团队成员照片（2024年6月）

图9 博士生李慧与展示海报（美国·奥兰多， IFCS-EFTF2019）

图10 博士生钟恩才在瑞士纳沙泰尔与femto-st研究所的Vincent Giordano的合影（瑞士·纳沙泰尔 EFTF2024）

图11 博士生刘明明与参会者关于我们的铯喷泉钟展开了深入的讨论 (瑞士·纳沙泰尔 EFTF2024)