物理与材料科学学院

我系在光频率合成及精密控制前沿领域研究实现重大突破

发布日期: 2004-03-22   作者:  浏览次数: 52

  2004年3月19日,我校物理系“光谱学与波谱学教育部重点实验室”的马龙生教授与毕志毅教授等在国际著名杂志《科学》上发表题为“Optical Frequency Synthesis and Comparison with Uncertainty at the 10-19 Level”的学术论文,这是朝着研制基于光学频率(而不是微波频率)的新一代原子钟迈出的重要一步,也是我国科学家在该前沿科技领域中首次取得的一项重大突破。

  马龙生教授长期从事高灵敏精密激光光谱技术研究,近年来在飞秒激光稳频技术研究中,曾获得国家自然科学基金委员会、教育部(211工程与科技司重点项目)、上海市科委(光科技专项重点项目)、上海市教委(重点学科建设项目)和上海市经委等多项基金的资助,开展了 “飞秒激光稳频技术”、“光钟与光脉冲合成关键技术研究”、“分子光钟技术研究”等一系列课题,并与国际标准局(BIPM)和美国国家标准与技术研究所(NIST)等世界权威科研机构进行密切的合作交流,先后在Science, Phys. Rev. Lett. , Opt. Lett. 等高水平杂志上发表学术论文50余篇,并获得国际发明专利2项。

  2001年8月17日,马龙生教授和他在美国JILA和NIST的合作者在“科学”周刊上曾共同发表了题为“Phase Coherent Optical Pulse Synthesis from Separate Femtosecond Lasers”的学术论文,“Science Daily”在评述此项成果时称,“现在科学家能够利用激光,在超快时间尺度上更大程度地操控光子”。2002年,国家自然科学基金委员会的陈佳洱主任和我国计量科学界的泰斗王大珩院士在听取了马龙生教授的研究进展汇报后,给予了高度评价。科技部程津培副部长在视察我校“光谱学与波谱学教育部重点实验室”时,也给予了热情鼓励与指导。2003年2~4月,以马龙生教授为主的课题组携带自行研制的首台飞秒激光光梳(ECNU-C1),应邀前往位于法国的国际标准局进行了首次飞秒光梳国际比对,并在2004年3月15日的Opt. Lett.杂志上发表了题为“First international comparison of femtosecond laser combs at the International Bureau of Weights and Measures”的论文;随后又应邀前往美国科罗拉多大学,与美国国家标准与技术研究所及国际标准局等研究单位的科学家,运用各自独立研制的光学频率梳开展了一系列实验研究,并取得了令人鼓舞的重大突破性进展。BIPM的评论称,“这一不寻常的研究结果所开辟的道路不仅将改善我们对许多物理问题的深入理解,而且还涉及具有重大意义的技术进步和新的实际应用。”(“This remarkable result not only opens up ways to further improve our understanding of many problems in physics, but also allows for significant technological advances and novel practical applications.”)

  光钟(Optical Clock)研究是2002年以来国际计量科学发展的一个新热点,也是国际激光战略高技术研究领域一个新的制高点。时间频率作为一个重要基本物理量在国民经济、国防建设和基础科学研究中起着重要的作用。其主要特点有:第一,它是目前最准确的基本物理量,准确度已达到10-15量级。许多其它物理量,例如长度的米,都可由时间频率导出;它是基础物理学研究的一个重要方面。近十年来的诺贝尔物理奖有三个和时间频率标准有关(1989年Dehmelt与Pauli的离子阱和Ramsey的分离场技术,1993年Taylor的脉冲星稳定周期,1997年朱棣文,Cohen-Tannoudji和Phillips的激光冷却与捕陷原子);第二,时间频率有着良好的传递性,可用电波传播而保持很高的准确度,是当代导航技术的基础;时间频率技术是GPS系统的关键技术基础之一;第三,它和人类社会的日常生活密切相关,试问,在当今世界上谁能离开准确的时间?正是由于时间频率具有如此重要性,一些主要发达国家的政府纷纷投入巨资支持研发相关的高新技术,以求保持或抢占在该重要领域的领先地位。

  在20世纪80年代,人们已认识到可以利用激光冷原子/离子存储技术锁定超窄线宽的激光,获得极为稳定的光学频率。2001年,美国国家标准与技术研究所研制成功了“光学传动装置”,这种新式的“钟”比铯原子钟的精确度要高3个量级(即1000倍)。但是,不同光波之间和某一光波与铯微波频标之间的频差测量都是极其庞大复杂、价格昂贵的大科学工程。1999年,德国的Max-Planck研究所首次报道了“飞秒激光光学频率梳”。由于飞秒光梳的研制成功和迅速推广应用,使“冷原子/离子存储稳频的光频标”与飞秒光梳结合组成“光钟”,才使得光学频率标准的实际应用变成现实。目前,国内外计量界和一些著名科学家认为,光钟将成为国际新一代时间频率的基准。美国“科学”周刊在2001年末预测值得关注的六大热门科技领域时评述说,“由于光钟以高频不可见光波而非微波辐射为基础,因此光钟比此前的仪器更精确。这一测量手段的进一步研究将促使更精确的全球定位系统诞生,并引发新一轮实验来验证物理上的基本常数”。国际标准局的专家认为,“具有极高精度的光钟研发,将导致现有体系的进步与精化,甚至开创物理学和科技的新领域。”(“The development of optical clocks with extreme accuracy will lead to advances and refinement of existing and even create new areas of physics and technology”)。

附: 背景材料

光尺和光钟

  光尺(optical “ruler”)是用于提供时间、频率和长度标准的装置。四台光尺在美国国家标准与技术研究所( National Institute of Standards and Technology,NIST)进行了比对研究。其中两台由美国国家标准与技术研究所研制,一台由国际标准局(the Bureau International des Poids et Mesures, BIPM)研制,一台由中国华东师范大学(East China Normal University, ECNU) 研制。美国国家标准与技术研究所对这四台光尺的评价是“世界上用于测量时间和频率的最好的光尺(“the world’s best rulers for measuring time and frequency”)。这项实验结果证实:四台光尺在光频域的一致性达到10-19水平。科学杂志于2004年3月19日报道的这项研究结果“Optical Frequency Synthesis and Comparison with Uncertainty at the 10-19 Level ”,是“朝着研制基于光频(而不是微波频率)的新一代原子钟的重要一步。这种光钟可望比目前最好的守时系统的精度提高100倍”( “ The experiments  are a significant step toward next - generation “atomic clocks” based on optical rather than microwave frequencies. Such clocks are expected to be as much as 100 times more accurate than today’s best timekeeping systems.”)

  这个装置被称为光学频率梳(frequency combs),因为它发出的电磁波谐振的频谱分布如同梳头发的梳子的齿。这些频率梳输出可用于作为测量时间、频率和长度的超高精度的尺。例如,一个光学频率梳可将一小时重新分割为1019个相同的时间段。

  这个装置的功能也如同一个光学齿轮。目前世界上最好的原子钟(例如,激光冷却铯喷泉钟)都基于原子的微波振动,其振动频率约为每秒9´109次。尽管这是非常快的振动,电子系统能够准确地记录。但现在还没有电子系统能够直接记录原子及分子以每秒5´1014次的光学振动。光学频率梳能够把将来光钟非常快的振动分到较低的频率,使其能与微波频率标准相连接。这个实验检验了光学齿轮箱的精确度。其中一个重要的应用是:光钟(optical clock)将比目前最好的原子喷泉钟精度高得多,这项实验为研制新一代原子钟 — “光钟”铺平了道路(“pave the way to next generation of atomic clocks”)。

  此装置也可用作光学频率综合发生器,它能实现不同光学频率标准间及光学频率标准与微波频率标准间超高精度的连接。它将有助于对一些研究问题作出解答,如科学领域所作的对应用计算至关重要的基本物理常数是否在数10亿年间发生了非常微小的变化。进一步的研究将有助于建立对自然界基本定律的更深入的认识。随着光学频率标准和飞秒频率综合发生器或光频率梳的发展,将有可能在这些精度水平上建造一种功能光学原子钟。这一进展无疑将导致新发现与新见识(“With the development of optical frequency standards and femtosecond frequency synthesizers or frequency combs, it will be possible to construct a functional optical atomic clock at these levels of precision. Such a development will undoubtedly lead to new discoveries and new insights”)。