光学时钟 Optical clocks

2022-11-04 13:25:52 浏览:563

定义

基于光学频率标准的时间测量装置。

光学时钟是一种时钟,其输出源自光学频率标准。 正如关于光学频率标准的文章中所解释的那样,这种参考基于保存在光学陷阱中的原子或离子并接受激光冷却以抑制多普勒展宽。 它们的跃迁频率用频率稳定的激光器探测,其发射频率精确地锁定在原子跃迁上。 这种超稳定的光学频率对于振荡周期的电子计数来说太高了。 然而,它可以通过某种光学时钟装置与较低的(微波)频率精确相关,现在通常基于频率梳,如下所述。 获得的光学和微波频率之间的关系非常精确,通常不允许任何相位滑移。

光学时钟可以提供极高的频率精度和稳定性,远远超过最好的铯原子钟的性能。 作为其输出,可以使用稳定的微波频率、稳定的激光频率或生成频率梳的任何谱线。 所有这些频率都是高度稳定的,但光学频率更有用,因为对于如此高的频率,可以在更短的测量时间内进行精确的频率比较。

现代光学钟表厂

在光学钟的早期,一个严峻的挑战是将稳定的光学频率与微波频率标准(如铯原子钟)联系起来:所需的光学时钟,当时实现为频率链,很难制造,并且仅适用于某些孤立的光学频率。 然而,从 1999 年开始,基于飞秒锁模激光器的频率梳实现了非常简单、更通用、同样精确的光学时钟装置[2]

图1:光学时钟的示意图设置。 时间信号由铯钟产生。 光学频率标准用于减少铯钟的长期漂移。 频率比较是使用光学发条完成的。 该发条装置还可以提供光输出,例如以频率梳的形式,允许与其他光学标准进行频率比较。

与微波频率标准的比较

光学时钟不仅适用于测量光学频率,还适用于需要极高精度的通用计时。 与铯原子钟等微波标准相比,它们具有以下关键优势:

  • 某些原子和离子具有非常明确的时钟跃迁(禁止跃迁),它们承诺比最好的微波原子钟更高的精度和稳定性。 使用电子跃迁的原子光学钟的预期(但尚未证明)相对频率不确定性约为10−18足够长的平均时间(可能是几天)。 甚至有可能使用某些低能核跃迁来达到10−19级别 [11]
  • 高光学频率本身非常重要,因为它们可以在更短的时间内进行精确的时钟比较。 例如,10−15如果比较的频率在光学范围内(数百太赫兹),则可以在几秒钟内实现精度,而微波时钟则需要一整天的数量级。
  • 使用光纤可以轻松长距离传输光信号。 甚至可以使用光纤链路上的光频率传输,在不同位置的不同时钟之间获得非常精确的时间比较[12]。 与光纤相比,微波电缆更昂贵,损耗更高,因此在技术上受到更多限制。

因此,可以预期,在不久的将来,作为基本计时参考的铯钟将被光学时钟取代,尽管到目前为止尚不清楚哪种类型的光学时钟将用作这样的标准。 晶格钟[8]似乎是一个很好的候选者,但特定时钟原子的最佳选择并不明显。 然后,秒的定义将更改为指光学频率,而不是微波频率。 然而,即使在这一深刻变化之后,铯钟(和其他非光学原子钟,如铷钟)将继续在技术应用中发挥重要作用,因为它们可以比光学钟更简单、更紧凑。

参考文献

[1] N. V. Goldovskaya et al., “Possibility of establishment of a quantum frequency standard for the visible range using an intercombination spectral transition in the ytterbium atom”, Sov. J. Quantum Electron. 12 (12), 1659 (1982), doi:10.1070/QE1982v012n12ABEH006318
[2] S. A. Diddams et al., “Direct link between microwave and optical frequencies with a 300 THz femtosecond laser comb”, Phys. Rev. Lett. 82 (18), 3568 (1999), doi:10.1103/PhysRevLett.82.3568
[3] S. A. Diddams et al., “An optical clock based on a single trapped 199Hg+ ion”, Science 293, 825 (2001), doi:10.1126/science.1061171
[4] R. Holzwarth et al., “Optical clockworks and the measurement of laser frequencies with a mode-locked frequency comb”, IEEE J. Quantum Electron. 37 (12), 1493 (2001), doi:10.1109/3.970894
[5] T. Udem et al., “Optical frequency metrology”, Nature 416, 233 (2002), doi:10.1038/416233a
[6] L.-S. Ma et al., “Optical frequency synthesis and comparison with uncertainty at the 10−19 level”, Science 303, 1843 (2004), doi:10.1126/science.1095092
[7] S. A. Diddams et al., “Standards of time and frequency at the outset of the 21st century”, Science 306, 1318 (2004), doi:10.1126/science.1102330
[8] M. Takamoto et al., “An optical lattice clock”, Nature 435, 321 (2005), doi:10.1038/nature03541
[9] A. D. Ludlow et al., “Sr lattice clock at 1 × 10−16 fractional uncertainty by remote optical evaluation with a Ca clock”, Science Express Feb. 14, 2008, doi:10.1126/science.1153341
[10] C. W. Chou et al., “Frequency comparison of two high-accuracy Al+ optical clocks”, Phys. Rev. Lett. 104 (7), 070802 (2010), doi:10.1103/PhysRevLett.104.070802
[11] C. J. Campbell et al., “Single-ion nuclear clock for metrology at the 19th decimal place”, Phys. Rev. Lett. 108 (12), 120802 (2012), doi:10.1103/PhysRevLett.108.120802
[12] S. Droste et al., “Optical-frequency transfer over a singe-span 1840 km fiber link”, Phys. Rev. Lett. 111 (11), 110801 (2013), doi:10.1103/PhysRevLett.111.110801
[13] B. J. Bloom et al., “A new generation of atomic clocks: accuracy and stability at the 10−18 level”, http://arxiv.org/abs/1309.1137 (2013)
[14] A. D. Ludlow et al., “Optical atomic clocks”, arXiv:1407.3493v2
[15] F. Riehle, “Optical clock networks”, Nature Photon. 11, 25 (2017), doi:10.1038/nphoton.2016.235
[16] W. F. McGrew et al., “Towards the optical second: verifying optical clocks at the SI limit”, Optica 6 (4), 448 (2019), doi:10.1364/OPTICA.6.000448
[17] S. Herbers et al., “Transportable clock laser system with an instability of 1.6 × 10−16”, Opt. Lett. 47 (20), 5441 (2022), doi:10.1364/OL.470984

光学器件

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