原子钟是全球导航系统和国际通信服务中的关键组成部分，而频率稳定性是其准确性的关键。近期，中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学实验室邓见辽副研究员领衔的脉冲光抽运（POP）原子钟小组，在王育竹院士开创的光抽运气泡原子钟研究基础上，在POP原子钟中长期频率稳定度优化方面取得重要进展。  研究团队基于新设计开发了一种POP原子钟，万秒频率稳定度达到4.7×10-15，与目前国际上最高水平的POP原子钟相当。

相关成果作为编辑精选文章发表于[Rev. Sci. Instrum. 91, 045114 (2020)]，美国物理研究所出版社（AIP Publishing）的Scilight同时以“A more stable design for a pulsed optically pumped atomic clock”为题报道了这一研究成果。

 原子钟是什么？

原子钟是一种计时装置，精度可以达到每2000万年才误差1秒。人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。

原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备，由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。原子钟的研发涉及到量子物理学、电学、结构力学等众多学科，目前国际上仅少数国家具有独立研制能力。

POP原子钟因其具有体积小、重量轻、频率稳定度高等优点，在卫星导航、精密光谱和高速通信等领域具有非常重要的应用前景。原子钟的共振频率对许多参数的波动很敏感，这使得优化以激光为基础的气泡原子钟（例如POP钟原子）的中长期频率稳定度是一项具有挑战性，同时也是迫切需要完成的任务。

 创新

POP原子钟原理框图、Ramsey条纹和频率稳定度曲线

该项研究中，研究人员首先将分布布拉格反馈（DBR）激光器、饱和吸收光路和声光调制器（AOM）集成到一个长275mm、宽203mm、高90mm的模块中提高了激光的频率和功率稳定性。其次将整个物理系统密封在一个由20 L/s的离子泵维持的真空度为4 ×10-4 Pa的真空罐中，从而显著减小气压效应对原子钟频率稳定度的影响。再次将交流温控电路驱动的加热膜贴在微波腔上使微波腔的万秒温度稳定度达到31 μK，减小了温度相关缓冲气体频移的影响。最后采用PXI平台提高了原子钟伺服控制系统的精度和可靠性。采用上述改进措施后POP原子钟万秒频率稳定度达到4.7×10-15，与目前国际上最高水平的POP原子钟相当。

课题组掌握了高精度气泡原子钟的关键技术，在进一步解决物理系统、光学系统和控制系统小型化和可靠性的基础上有望研制出高性能气泡原子钟工程样机。

相关工作得到了国家自然科学基金委、上海光机所自主部署项目的支持。

小结：原子钟-原子时间频率标准是人类科学技术活动的基本条件，时间频率测量的准确度和精确度的提高，将从根本上改变一系列重大应用技术和科学研究的的面貌。