對時間“把握”的精準(zhǔn)程度，是人類認(rèn)識和改造世界能力的體現(xiàn)。同時，高精度的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)是科技創(chuàng)新和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要技術(shù)支撐。作為迄今最精確的計時手段，高精度的冷原子光頻標(biāo)是目前頻率準(zhǔn)確度最高的原子時間頻率標(biāo)準(zhǔn)，在科研、國防、導(dǎo)航、通信、電力等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，成為國際競爭激烈的關(guān)鍵科技領(lǐng)域。作為超高精度儀器設(shè)備，實現(xiàn)光頻標(biāo)的應(yīng)用首要是做到“可搬運” 。相較于已得到廣泛應(yīng)用的微波頻標(biāo)，光頻標(biāo)往往體積龐大、運行率低。實現(xiàn)光頻標(biāo)的系統(tǒng)集成化、可靠和高精度地運行具有極高的挑戰(zhàn)性。

　　中科院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院高克林研究團(tuán)隊經(jīng)過10余年的努力，突破了一系列物理和關(guān)鍵技術(shù)，于2011 年成功研制出國內(nèi)首臺光頻標(biāo)。2016 年，該團(tuán)隊再次突破系列關(guān)鍵技術(shù)，研制出不確定度達(dá) 5×10^-17的鈣離子光頻標(biāo)，最近，將不確定度指標(biāo)提高到2×10^-17，是目前國際上不確定度水平最高的鈣離子光頻標(biāo)。同時，光頻標(biāo)的長期穩(wěn)定度達(dá)到10^-18量級，表明其能分辨出約20億億分之一秒的微弱時間/頻率變化，繼德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）研制的鐿離子光頻標(biāo)后，這是國際上第二種達(dá)到如此高分辨能力的離子光頻標(biāo)，相關(guān)研究成果發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(National Science Review)上。

　　同時，研究團(tuán)隊成功研制出一臺車載鈣離子光頻標(biāo)，演示了通過光頻標(biāo)比對實現(xiàn)高程差測量的可能性。研究團(tuán)隊隨后將該車載光頻標(biāo)從武漢搬運至北京，實現(xiàn)了20天的準(zhǔn)連續(xù)運行；并同中國計量科學(xué)研究院合作進(jìn)行了光頻標(biāo)鐘躍遷絕對頻率的測量，測量不確定度達(dá)到5.6×10^-16。研究成果發(fā)表在《物理評論A》(Phys. Rev. A)的快速通訊(Rapid communications)上。

　　為了實現(xiàn)車載，研究團(tuán)隊對光頻標(biāo)進(jìn)行了如下改進(jìn)：通過集成化設(shè)計提高了光頻標(biāo)的魯棒性；開發(fā)了一套半自動化光頻標(biāo)鎖定軟件，在降低光頻標(biāo)的伺服誤差不確定度的同時有效提高了光頻標(biāo)的運行率( >75%)；聯(lián)合研制出可搬運的超窄線寬穩(wěn)頻激光器；開展了對離子微運動抑制、光場ac-Stark頻移、電四極頻移以及黑體輻射頻移等效應(yīng)的細(xì)致實驗研究，將光頻標(biāo)的不確定度推進(jìn)至1.3×10^-17。在上述研究基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了高準(zhǔn)確度、高魯棒性和高運行率的車載光頻標(biāo)。該車載光頻標(biāo)隨后在武漢實驗室進(jìn)行了本地搬運實驗，通過光頻標(biāo)的比對，進(jìn)行了高程差測量的演示實驗，測量結(jié)果與傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀測量結(jié)果符合。經(jīng)過超過1200km的長途搬運后，同中國計量科學(xué)研究院合作，再次進(jìn)行了鈣離子光頻標(biāo)的絕對頻率的測量，測量結(jié)果與該團(tuán)隊先前的絕對頻率測量結(jié)果符合，不確定度由10^-15量級推進(jìn)至10^-16量級，該結(jié)果也對先前基于GPS系統(tǒng)的超高精度遠(yuǎn)程光頻絕對值測量結(jié)果進(jìn)行了驗證。

　　車載鈣離子光頻標(biāo)及利用光頻標(biāo)的頻率比對測量高程差實驗

　　 據(jù)調(diào)研，該車載光頻標(biāo)是國際上搬運距離最長的光頻標(biāo)，也是國際上運行率較高的少數(shù)幾臺光頻標(biāo)之一，同時也是國際上不確定度指標(biāo)最高的可移動離子光頻標(biāo)；同時，這也是國際上首次將鈣離子光頻標(biāo)鐘躍遷絕對頻率的測量不確定度推進(jìn)到10^-16量級。

　　該項工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院的資助。

　　論文鏈接：

　　1）《國家科學(xué)評論》：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa119

　　2）《物理評論A》(快速通訊)： https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.102.050802