时间/频率是目前测量准确度最高的物理量．当铯频率ΔνCs，也就是铯133原子不受干扰的基态超精细跃迁频率，以单位Hz(即s-1)表示时，取其固定数值为9.192 631 77×109来定义秒[1]．随着科技的发展和生产生活的需要，对时间计量准确度的要求越来越高，铯原子喷泉钟将时间测量准确度提高至10-16量级，并凭借其准确度高、长期稳定性好的优势承担着基准型频率标准的重任．铯原子喷泉钟作为基准钟[2-13]，在精密测量物理[14-15]、相对论检验[16]、卫星导航定位系统[17]等领域都有很多重要应用．世界各地有很多机构都相继研制了铯原子喷泉钟[18]，包括美国国家标准及技术研究院(NIST)[19]、德国联邦物理技术研究院(PTB)[20-21]、意大利国家计量研究院(INRiM)[22-23]、英国国家物理实验室(NPL)[24-25]、加拿大国家研究委员会(NRC)[26]等．国内中国计量科学研究院(NIM)[27]、中科院国家授时中心(NTSC)[28]、中科院上海光机所(SIOM)[29]等单位也在开展原子喷泉钟的研制工作(包括133Cs，87Rb和85Rb等工作介质)，其中中国计量科学研究院的NIM5已实现了国际比对和对国际原子时(TAI)的驾驭，并且新一代的NIM6即将完成评估．经过多年发展，铯原子喷泉钟将时间测量准确度提高至10-16 量级，其中NIST-F2的B类频率不确定度为1.1×10-16[19]，巴黎天文台SYRTE-FO2(铯)的频率稳定度为1.6×10-14τ-1/2 (τ为测量时间)[30]，是微波原子钟的最高水平．华中科技大学引力中心正在进行PGMF的建设[31]，其中包括时频标准溯源装置的搭建，目标是为整个设施提供频率稳定度和频率准确度指标优异的本地时频基准．本课题组承担了时频溯源装置的搭建工作，其中铯原子喷泉钟为组内自研．在铯原子喷泉钟的研制过程中完成了真空物理系统、光学系统、微波综合链和电子控制系统的设计与搭建．这里对铯原子喷泉钟系统进行了详细的描述，并给出了频率稳定度的初步评估结果．1 装置设计1.1　真空物理系统图1为铯喷泉钟真空物理系统装置示意图．从主体结构上装置可分为2D-MOT区域、3D-MOT区域、探测区、选态区、Ramsey腔、C场线圈、四层磁屏蔽筒和真空腔体，同时配有20和75 L/s的离子泵用于维持高真空环境．整个装置高约2.2 m，由铝材质的框架支撑，真空物理系统的主体结构采用无磁钛合金材料，可以减小磁性材料对系统实验的影响．整个物理系统装置的底部设置了4个脚轮，可进行短距离的运输．10.13245/j.hust.220904.F001图1喷泉钟真空物理系统装置示意图另外，3D-MOT区域设置了角度调节装置，可以独立调节原子上抛的角度．角度调节装置的设计参考了德国PTB铯原子喷泉钟CSF2的设计[32]，上抛角度可调有利于提高原子回落数目．Ramsey腔采用四端口微波馈入的方式，可以减小铯原子喷泉钟的分布腔相移．原子飞行(TOF)信号在探测区域被探测．2D-MOT的设计可以增加原子装载率，目前实验尚未启用2D-MOT，原子的俘获与冷却在3D-MOT区域完成．1.2　光学系统根据原子喷泉实验对光功率和频率的需求，光路中用到了两台频差约9.2 GHz的Toptica DL pro 850半导体激光器，一台Toptica BOOSTA Pro 850锥形放大器．其中一台激光器用于提供冷却光、探测光与推光，另一台激光器提供回泵光．两台半导体激光器输出的最大功率约为70 mW，回泵光对光功率的需求不高，一台半导体激光器即可满足回泵光路的需求；另一台半导体激光器经过锥形放大器放大之后输出功率约1.5 W，可满足冷却光路的实验需求．在光路中，利用声光调制器(AOM)控制光路中不同激光束的频率与功率．回泵光和冷却光均进行了频率稳定，其中回泵光采用了饱和吸收稳频技术进行频率稳定，回泵光经过AOM移频后被锁定到铯原子62S1/2F=3→62P3/2F=3与62S1/2F=3→62P3/2F=4的交叉峰上．另外，搭建拍频光路并采用频率电压转换(FVC)电路和伺服反馈回路将冷却光、推光和探测光等其他激光束锁定到回泵光的激光器上．冷却光通过光纤扩束器被扩束至直径约20 mm的准直光，三对偏振为σ+-σ-的冷却光被传输至3D-MOT区域用于俘获冷却原子团．被扩束后的探测光在探测区被分为两束平行的探测光(尺寸4 mm×15 mm)，并经过0°反射镜反射形成驻波场，用于探测处于62S1/2F=4态和62S1/2F=3态的铯原子信号．推光与探测光同源，推光是行波场，用于推走探测后的62S1/2F=4态的原子．回泵光被分为两束：一束经光纤扩束器传输至3D-MOT区域配合冷却光进行原子冷却；另一束经光纤扩束器传输至探测区用于原子的双能级探测．1.3　微波综合链实验室研制了两套基于基频5 MHz恒温晶体振荡器(oven controlled crystal oscillator，OCXO)的微波综合链，目前实验室所用的微波综合链的基频信号由氢钟5 MHz频率信号提供．图2为微波综合链的原理图，图中：LPF为低通滤波器；NLTL为梳状谱发生器；1PS2为功分器；BPF为带通滤波器；PFD为相位频率探测器；Mixer为混频器；DDS为直接数字频率合成器．氢钟产生的5 MHz频率信号经过多次倍频后至100 MHz，倍频后的100 MHz信号经锁相环路PLL1将压控振荡器(voltage control crystal oscillator，VCXO)产生的100 MHz进行锁定，锁定后的100 MHz信号被倍频至200 MHz．将200 MHz频率信号分为三路，这三路信号经过DDS、锁相环路PLL2，并与锁相环路中的介质振荡器(dielectric resonator oscillator，DRO)混频产生约9.192 GHz信号，该频率信号在DDS控制下可以进行小范围的频率调节．10.13245/j.hust.220904.F002图2微波综合链原理图1.4　电子学控制系统电子学控制系统提供整个铯原子喷泉钟所需的时序控制，包括原子信号探测、数据采集、信号监控、误差信号反馈等．图3是电子学控制系统框图，电子学控制系统程序用LabVIEW编写．模拟输出板卡提供触发信号，用来控制微波开关、光开关、磁场开关、温控开关的开断，AOM的驱动功率与频率以及微波综合链的频率跳变．数据采集卡承担着数据监控与采集的功能，可以监控激光光功率、上真空腔温度、物理系统内部磁场的长期变化，同时采集MOT信号、双能级TOF信号以及Ramsey条纹．另外，还可以通过电脑的串口、网口实现对自制微波源功率、函数发生器等实验设备参数的控制．10.13245/j.hust.220904.F003图3电子学控制系统框图图4给出了铯原子喷泉钟的时序控制图，图中：Δν为频率失谐量；Icool为冷却光光强；Pmic-1为选态腔内微波功率；Pmic-2为Ramsey腔内微波功率；Ipush为推光光强；Ipump为泵浦光光强；Iprobe为t探测光光强．在3D-MOT阶段，磁场BMOT、冷却光和回泵光同时开启以捕获铯原子，回泵光将原子从62S1/2F=3态抽运至62S1/2F=4态上，确保原子持续冷却，整个过程持续1 s．然后关闭磁场，原子进入一个60 ms的光学粘胶过程(包括移动光学粘胶)．10.13245/j.hust.220904.F004图4铯原子喷泉钟的时序控制图通过控制AOM频率改变冷却激光相对频率失谐(6 MHz)，原子获得初始上抛速度为4.43 m/s．上抛后的原子进入选态腔进行微波-光选态，经历选态后的原子进入Ramsey腔，在上抛回落过程与Ramsey腔内的微波相互作用两次，每次作用时间为60 ms，两次相互作用之间的自由演化时间为540 ms．原子回落至探测区进行双能级探测，持续时间约为40 ms，喷泉开环运行周期为2.5 s．2 实验结果2.1　上真空腔内的C场分布为了减小地磁场等外界磁场对原子微波实验的干扰，在铯原子喷泉钟真空物理系统上真空腔区域设置了四层圆柱形磁屏蔽筒，磁屏蔽筒选用高磁导率的坡莫合金材料，屏蔽系数为104量级，可以将磁屏蔽筒内的剩余磁场降低至几个nT．在真空物理系统装配之前对磁屏蔽筒内(空筒)的磁场进行了测量．图5为磁屏蔽筒内部磁场测量结果，筒内磁场均匀区超过50 cm，均匀区内磁场起伏小于2 nT，满足实验对磁场环境的需求．10.13245/j.hust.220904.F005图5磁屏蔽筒内部磁场测量结果磁屏蔽筒内放置C场筒，C场筒外绕制螺旋线圈，C场线圈加载电流之后，可产生沿着C场筒轴向的磁场，它为原子提供量子化轴，用于消除磁子能级之间的简并．真空装配前，在C场线圈上加载1 mA的电流并测量了C场的分布情况．图6为C场筒磁场测量结果，实测均匀区如图中灰色标记，选态腔与Ramey腔也处于均匀区内．上述测量结果表明：C场为后续的原子实验提供了良好的磁场环境，之后会利用原子对磁场的分布进行进一步的扫描测量．10.13245/j.hust.220904.F006图6C场筒内部磁场测量结果2.2　微波综合链的相位噪声本振噪声[33](Dick效应)是铯原子喷泉钟频率稳定度的主要贡献项，而本振噪声主要来源于微波综合链输出微波频率的相位噪声．图7为微波综合链的相位噪声实验测量结果．经计算，微波综合链的相位噪声对铯原子喷泉钟频率稳定度的贡献为1.5×10-13τ-1/2．10.13245/j.hust.220904.F007图7微波综合链相位噪声水平为了进一步降低Dick效应对铯原子喷泉钟频率稳定度的贡献，可选用相位噪声更低的微波源，如光生微波或CSO，可将Dick效应对铯原子喷泉钟频率稳定度的贡献值降低至10-15τ-1/2量级．2.3　原子TOF信号探测及微波光选态在光场与磁场的共同作用下，约108量级的铯原子被俘获在3D-MOT中，原子经过进一步的冷却被上抛，上抛后的原子回落至探测区被探测．考虑到原子云的热扩散，探测光尺寸选用为4 mm×15 mm，推光及回泵光选用的尺寸为2 mm×15 mm．光电探测器将探测到的原子荧光信号转换为电信号，增益为5×107 V/A，图8为探测到的原子回落TOF信号，可以看出：随着原子上抛高度的增加，回落的原子TOF信号强度越小，实验中选用的原子上抛高度为100.1 cm．10.13245/j.hust.220904.F008图8不同的上抛初速度下回落原子TOF信号将回落的TOF信号强度优化到最佳后，进行微波光选态，原子选态在选态腔内进行，选态之前原子主要分布在基态磁子能级62S1/2F=4,mF=0,±1,±2,±3,±4上．原子被上抛至选态腔内与微波作用，将微波频率设置为9.192 631 77 GHz，改变微波功率扫描得到选态腔内的Rabi振荡曲线．扫描结果如图9所示，第一个峰值处对应的微波脉冲面积为π，将微波功率设置为峰值处对应的功率，可完成原子的最大数目制备．在微波与光场的共同作用下，将原子制备至62S1/2F=3,mF=0态．10.13245/j.hust.220904.F009图9选态腔内Rabi振荡曲线随微波功率的变化2.4　Ramsey条纹扫描选态完成之后的原子继续上抛，进入Ramsey腔与腔内微波进行Ramsey作用．Ramsey腔内馈入的微波频率固定为9.192 631 77 GHz，改变微波功率，扫描原子上下两次经过Ramsey腔后的Ramsey振荡跃迁几率随微波频率的变化，扫描结果如图10所示．第一个峰值对应的微波功率表示原子团与微波的单次作用面积为π/2．10.13245/j.hust.220904.F010图10Ramsey腔内Ramsey振荡曲线随微波功率的变化将微波功率设置为第一个峰值对应的功率处，改变微波频率，扫描获得Ramsey条纹，微波频率扫描范围为9.192 631 77 GHz附近-65~65 Hz，扫描到的Ramsey条纹如图11所示，图中扫描到的Ramsey条纹为3次数据平均的结果．将扫描范围缩小至-2~2 Hz，扫描Ramsey中心条纹，扫描结果如图12所示，Ramsey中心条纹线宽0.911(2) Hz，条纹对比度约为90.8%，Ramsey条纹对应的原子温度约4 μK，原子的上抛高度为100.1 cm．10.13245/j.hust.220904.F011图11Ramsey条纹扫描结果10.13245/j.hust.220904.F012图12Ramsey中心条纹扫描结果3 铯原子喷泉钟频率稳定度评估Ramsey条纹的获得是实现铯原子喷泉钟闭环锁定的基础，闭环锁定中使用半高宽锁定法得到误差信号，然后将误差信号反馈给微波综合链，将微波源的平均频率锁定到Ramsey中心条纹峰值处，实现铯原子喷泉钟的闭环锁定，从而输出标准频率．微波综合链参考至氢钟(iMaser 3000)上，实验中测得铯原子喷泉钟相对于氢钟的频率稳定度为3.2×10-13τ-1/2，测量结果如图13所示．10.13245/j.hust.220904.F013图13铯原子喷泉钟频率稳定度测量结果影响铯原子喷泉钟频率稳定度的主要噪声有量子投影噪声、探测噪声、光子散粒噪声以及本振噪声，总的噪声对频率稳定度的贡献可表述为στ=1πQTCτ1Ndet+1Ndetεηph+2σδN2Ndet2+γ1/2，(1)式中：Q为Ramsey条纹的品质因子；TC为铯原子喷泉钟的开环运行周期；Ndet为探测区探测到的原子数；ε为光子收集效率；ηph为探测过程中单个原子散射的光子数；σδN为每个检测通道原子数涨落的不相关均方根值；γ表示参考源频率噪声的贡献．同时也计算了各项噪声[34]对频率稳定度的贡献，其中量子投影噪声对频率稳定度的贡献为7.4×10-14τ-1/2、本振噪声为1.5×10-13τ-1/2、探测噪声为1.6×10-13τ-1/2、光子散粒噪声为6.4×10-15τ-1/2，总的噪声贡献为2.3×10-13τ-1/2，计算值与实测值有一定区别，可能有其他噪声引入系统，须进一步分析排查．4 结语研制了铯原子喷泉钟，并通过与氢钟进行比对完成了铯原子喷泉钟的频率稳定度评估．实验测得Ramsey条纹对比度大于90%，Ramsey中心条纹线宽约为0.911 Hz．频率稳定度评估结果为3.2×10-13τ-1/2，影响铯原子喷泉钟频率稳定度的主要噪声项也在文中进行了分析与讨论，目前主要受限项为本振噪声与探测噪声．更换相位噪声更低的微波源可以进一步降低本振噪声，如光生微波[35]及CSO[36]，可以将本振噪声对铯原子喷泉钟频率稳定度的贡献降低至10-16量级．目前正在对铯原子喷泉钟主要的B类不确定度项进行评估．本课题组也在开展光生微波及CSO的研制，并计划在进一步的实验中替代现有的微波源．另外，将通过改造探测区来减小探测噪声的贡献．