中科院量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王育竹院士領(lǐng)導(dǎo)的新型星載原子鐘課題組在脈沖光抽運(yùn)銣原子鐘研究中取得突破性進(jìn)展。課題組在2012年12月15日出版的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)快報(bào)》上發(fā)表的論文[Opt. Lett.37, 5036 (2012)]中，首次報(bào)道了利用基于磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的正交偏振探測(cè)技術(shù)探測(cè)氣泡式銣原子鐘的鐘躍遷信號(hào)，獲得了對(duì)比度高達(dá)90%的超高對(duì)比度鐘躍遷信號(hào)，抑制了散彈噪聲，極大地提高了鐘躍遷信號(hào)的信噪比和原子鐘頻率穩(wěn)定度。

國(guó)際上氣泡式銣原子鐘的躍遷信號(hào)都是利用吸收法探測(cè)，由于散彈噪聲的限制，獲得的鐘躍遷信號(hào)對(duì)比度最高不超過(guò)30% [Phys. Rev. A81,013833 (2010),Metrologia49,425 (2012)]。正交偏振探測(cè)技術(shù)可以將探測(cè)光的背影光強(qiáng)濾除，因此抑制散彈噪聲和激光引入的噪聲，從而大幅提高原子鐘的頻率穩(wěn)定度。在相同條件下，利用正交偏振探測(cè)技術(shù)獲得的以阿倫方差表征的銣原子鐘頻率穩(wěn)定度比傳統(tǒng)的吸收探測(cè)技術(shù)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

眾所周知，原子鐘是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（如美國(guó)的GPS和中國(guó)的北斗系統(tǒng)）的核心部件之一，當(dāng)今各國(guó)廣泛采用光譜燈抽運(yùn)的銣氣泡型原子鐘作衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星載鐘。但是，由于傳統(tǒng)銣氣泡型原子鐘利用了連續(xù)光抽運(yùn)技術(shù)，因此存在光頻移，由于散彈噪聲的影響，原子鐘的中長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定性不好。采用正交偏振探測(cè)技術(shù)的脈沖光抽運(yùn)銣原子鐘可以消除光頻移，使其頻率穩(wěn)定度指標(biāo)比被動(dòng)氫原子鐘略高，并且具有體積小和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，是下一代導(dǎo)航系統(tǒng)的理想星載鐘。

《光學(xué)快報(bào)》審稿人對(duì)該工作做出了高度評(píng)價(jià)：“這是一篇有趣的工作，作者利用磁光旋轉(zhuǎn)方法代替吸收法，極大的壓制了背景光強(qiáng)噪聲，提高了鐘躍遷譜線信噪比。該方法應(yīng)該得到原子鐘研究領(lǐng)域的關(guān)注。”

文章發(fā)表一周后，意大利國(guó)家計(jì)量研究院時(shí)間頻率部Micalizio博士（脈沖光抽運(yùn)銣原子鐘研究世界最好記錄保持者）發(fā)來(lái)賀電稱(chēng)：“祝賀你們?cè)谀銈兊脑O(shè)備上取得的杰出成果……”。

該項(xiàng)研究得到973項(xiàng)目、中科院儀器設(shè)備功能開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目以及863項(xiàng)目的支持。

圖1、正交偏振探測(cè)技術(shù)獲得的Ramsey條紋（a）對(duì)比度90%，信噪比840，吸收探測(cè)技術(shù)獲得的Ramsey條紋；（b）對(duì)比度20%，信噪比130。

圖2、正交偏振探測(cè)技術(shù)（三角形）和吸收探測(cè)技術(shù)（圓點(diǎn)）的原子鐘阿倫方差對(duì)比