时间:天文时-原子秒-基于常数重新定义秒

本文简略回顾现代时间从天文时到原子秒的变革历程.简述铯冷原子喷泉频率基准复现现行秒定义的进展和现状,国际原子时(TAI)和国际通用的协调世界时(UTC)产生过程,以及国际上关于放宽对协调世界时和一类世界时UT1之差的趋势.接着介绍原子喷泉频率基准常规驾驭TAI的现状,国内外光学频率标准(简称光频标)研究的进展,以及迄今6台光频标参与驾驭TAI.依据国际正在讨论的未来修改秒定义路线图,分析常规驾驭TAI对光频标的要求和对策.在此基础上,提出基础研究型和计量型两种光学频率标准研究定位,并针对计量型光频标的性能指标提出建议.提出对不确定度达到3×10~(-17)的计量型光频标频率评定要求,不仅应计及相对论静态重力频率频移,而且应考虑动态潮汐频移.最后建议利用两台高稳定光频标,跨越大经度距离实施频率比对,实验测量直接验证相对论潮汐频移的方案.     

光波干涉采样示波器

光频梳技术是本世纪初随着飞秒激光技术、非线性光学的飞速发展应运而起的一项重要的精密频率测量技术.它跨越了射频和光频电磁波谱之间长期存在的技术鸿沟,通过频率和相位的相干关系将二者巧妙的衔接,在时间频率标准、精密光谱计量以及基础物理学常数的高精度测量等领域具有举足轻重的应用价值.正因为The-odor W.H?nsch(本文第一作者)和John L.Hall以光频梳技术为代表的激光精密测量技术领域的杰出贡献,二人同Roy J.Glauber(光相干量子理论的贡献)共同分享了2005年诺贝尔物理学奖.从光频梳的基本原理出发,解释了光频梳技术基本概念,稳定工作的光频梳以及作为高精密的频率测量技术,光频梳主要的应用领域等.同时回顾了作者研发光频梳技术的初衷,即用于研究氢原子的精密光谱,验证量子电动力学理论,提高里德堡常数和质子电荷半径等物理学基本常数体系的测量精度.介绍了通过双光频梳实现高精密的光谱直接测量技术,包括该技术的原理以及在气体分子精密光谱测量方面的应用,举例说明了基于双光频梳的光谱直接测量技术在频率分辨率和灵敏度方面相对于传统光频梳表现出来的显著优势.实验验证了单光子水平的光频梳光谱测量可行性,指出其在极紫外或甚至在软x射线这些产生少量光子的应用领域的应用前景.最后介绍了微小区域实现厘米级尺寸的光学腔的脉冲激光的激发、片上稳定的双光频梳实现等微型光频梳和片上光谱系统集成等关键技术和解决方案,并分析了片上光频梳光谱测量系统的发展和应用前景.     

铷原子频标长期稳定度的研究

对影响铷原子频标长期稳定度的光频移、碰撞频移和微波功率频移进行了分析。在此基础上提出了改进措施，保证铷原子频标不仅具有好的短期稳定度，而且具有良好的长期稳定度，使铷原子频标的性能大大改善。     

囚禁冷却钙离子精密光谱实验进展

本文报道了中国科学院武汉物理与数学研究所基于单个囚禁冷却钙离子精密光谱实验进展. 采用微型射频阱(Paul阱)囚禁单个钙离子, 实现囚禁离子的激光冷却, 冷却离子被囚禁在Lamb-Dicke区域, 囚禁时间长达2个月以上. 用于钙离子4s~2S_(1/2)-3d~2D_(5/2)钟跃迁探测的729 nm激光的线宽压窄到1 Hz以下, 并实现连续1个月的稳定运行. 为了实现频率比对, 搭建了两台相似的钙离子光频标. 通过对系统误差的细致评估, 两台钙离子光频标的频率相对不确定度均小于6′10~(-17). 通过42 d的独立比对实验, 两台钙离子光频标的频差为3′10~(-17), 不确定度为5.5′10~(-17). 通过3 d的连续频率比对, 两台钙离子光频标的阿伦偏差为1×10~(-14)τ~(-1/2), 2×10~4 s稳定度达到了7′10~(-17). 同时, 利用基于全球定位系统(GPS)朔源到世界标准时(SI)的光频测量系统, 再次测量了钙离子钟跃迁4s~2S_(1/2)-3d~2D_(5/2)的绝对频率值, 其结果为(411042129776401.7±1.1) Hz. 在此基础上完成了两个基于单个囚禁冷却钙离子的精密光谱实验. 一是钙离子钟跃迁魔幻波长的测量, λ_(|mj|=1/2_=(395.7992±7) nm和λ_(|mj|=3/2)=(395.7990±7) nm,与Tang等人的理论预言相符合. 二是钙离子3d~2D_(5/2)态寿命测量, 其结果(1174±10) ms与牛津大学和Innsbruck大学新近在线型阱中基于单个囚禁离子的测量结果相符合, 并与Sahoo的最新理论结果相符合.     

单极化态线性引力波场中Proca光的频移

光在引力场中传播时,频率将会发生改变,但通常考虑光的引力红移时,却没有涉及到光子的静质量.从"重"电磁波的Proca方程出发,研究了线性引力波场中Proca光的频移.数值计算结果表明:若考虑光子的静质量,其频移效应将产生一个微小的修正(附加频移),但在目前的实验条件下不会产生可以观测的效应.     

振动态对H2+谐波辐射频移的影响

理论研究了H_2~+在不同振动态下辐射高次谐波的特点.结果表明,在低振动态下,谐波辐射呈现红移现象.随着振动态增大,谐波红移现象逐渐减弱甚至消失.通过分析谐波辐射时频分析图以及双H核辐射谐波的特点,给出了振动态对H_2~+谐波辐射频移的原因.     

行波场中的光学偶极俘获及其参数的确定

光学偶极阱正逐渐成为一种重要的控制中性原子的工具. 报道了在铯原子磁光阱中, 采用远离共振的失谐聚焦光束获得的光学偶极阱. 通过同时测量磁光阱和光学偶极阱中原子的荧光谱确定了光频移. 并采用短程飞行时间法获得了磁光阱中冷原子的等效温度. 着重讨论了此实验方案的优点, 同时也分析了激光束腰斑和功率的大小等因素对偶极阱势阱深度和加热率的影响.     

克尔非线性黑体中光超流态的研究

研究了克尔非线性黑体中一种新的光超流态.研究表明:非线性黑体中具有相反波矢和旋量的裸光子结合成对,未成对的裸光子则转换成一种新的准粒子--非极化激元;光子对系统是一个超流态,而非极化激元系统是一个正常流态.正常流态的光谱能量密度和辐射压强都比普通黑体大并且随温度单调增加.在理论上证明了克尔非线性黑体中光超流态的存在并给出了测量这种光超流态的方法.     

动态时空视界位置和温度

只要动态时空中的黑洞仍然保持“黑洞”的基本性质——类光无穷远处的观测者得不到它内部的信息,这个“洞”就应该是一个黑体,其辐射应该是黑体辐射.虽然视界的位置和温度随时间变化,但它每一瞬间发出的辐射均应具有普朗克谱.从以往的研究知道,在稳态时空中采用 Tortoise 坐标时,K-G 方程的径向方程在视界附近会化成平直时空中无质量粒子的波动方程形式.利用这一特性可以容易地证明黑洞产生平衡热辐射.我们认为,既然动态时空中的黑洞每一瞬间产生的辐射仍具有普朗克谱,那么动态时     

超短DM光孤子系统中自频移影响及其抑制方法

针对色散管理孤子系统中孤子幅度、脉宽等参数的动态周期变化特性,采用时域和导频滤波复合控制方法,建立了光脉冲的传输方程,研究了短皮秒DM光孤子系统中控制孤子自频移(SSFS)影响的可行性和有效性,采用变分法分析了高速DM啁啾高斯准孤子在喇曼自频移条件下传输演化特性,采用沿线上导频滤波控制方法,将自频移控制在设计范围内,稳定了孤子中心频率.对40 Gbit/s长距离高速DM孤子传输系统的传输特性进行了数值模拟,所得结果与理论分析完全一致.     

离子存储、冷却及在量子频标中的应用

首先回顾了量子频标中离子存储和冷却的基本原理,介绍了用分子动力学计算得到的十二极阱中离子的分布和加热速率的结果.然后在此结果基础上,计算了十二极阱射频加热效应和离子微运动对频标造成的影响.相比传统的四极阱,一方面十二极阱可以降低离子云的加热速率,有利于利用Ramsey脉冲进一步压窄离子谱线线宽;另外,十二极阱内势场中部平坦边缘陡峭,可有效降低离子微运动带来的二级多普勒效应,有利于提高离子频标的准确度和稳定性.该文还介绍了美国JPL实验室高稳定性、高准确度、199Hg+离子钟的工作,以及我们正在开展的基于多极阱中激光冷却的113Cd+离子的高稳定性量子频标的工作.     

基于布里渊散射理论的分布式测量技术

一、前言 BOTDR是基于布里渊后向散射理论而开发的分布式光纤测试设备。根据布里渊后向散射理论,在布里渊散射中,散射光的频率相对于注入光有一个频移,该频移称为布里渊频移。布里渊散射光频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。     

水中放电等离子体特性的理论研究

水中放电等离子体(PPDW)具有高压、高密度和低温、低电离度的特点,人们对其辐射是否具有黑体辐射的特点一直观点不一．本计算了当通道压力为10^6pa、10^8Pa、10^9Pa,温度从3000K到60000K时PPDW的弹性、非弹性碰撞特征时间及辐射平均自由程．计算结果表明,当通道压力为10^6Pa时,通道辐射在所计算的温度范围内不能看作黑体辐射．当通道压力为10^8Pa时,通道辐射在温度从16000K到35000K范围内可看作黑体辐射．通道压力达10^9pa时,通道辐射在12000K以上均可看作黑体辐射．中还对通道电导率与其自身磁场的关系作了数值分析,结果表明只有在很低的温度和通道压力情况下才必须考虑自身磁场的影响,通常可不考虑其影响．     

KCl:Pb~(2+)单晶中的低频喇曼信号及相应的点缺陷

在绝对温度77K经x射线辐照后的KCl:Pb~(2+)单晶中观察到一个频移为30cm~(-1)的低频喇曼信号.结合测量信号强度随x射线辐照时间的变化及F带光对相应的点缺陷的影响,推断这一低频信号可能起因于被杂质铅稳定的填隙氯离子的局域振动.     

水中放电等离子体辐射特性研究

在考虑电离能修正情况下,对水中放电等离子体(PPDW)辐射特性作了分析．结果表明,当通道压力为lMPa时,PPDW辐射不能看作黑体辐射．当通道压力为0．1GPa、温度在16000～35000K时,PPDW满足黑体辐射的两个条件,其辐射可看作是黑体辐射．若通道压力达1GPa,则在11000～60000K范围内其辐射都可看作黑体辐射．     

受激布里渊散射慢光系统中强度调制器的应用研究

基于Mach-Zehnder干涉式的强度调制器具有移频特性,用于受激布里渊散射的慢光系统可以用来产生具有布里渊频移的信号光.理论和实验分析了M-Z干涉式电光强度调制器的频移特性.受激布里渊散射慢光实验中利用12.5 Gbit/s的电光强度调制器产生了相对于泵浦光具有9.394 GHz布里渊频移,脉宽为50 ns的信号光.在泵浦功率20 mW的情况下,该脉冲在2.5 km长的高非线性光纤中获得了32 dB的非饱和增益,脉冲延迟了25 ns.     

铟离子5s21S0-5s5p3P0参考用跃迁频率的精密测量

报道了建立铟单离子(¹¹⁵In⁺)光频标实验系统的实验进展。单个离子囚禁在Paul-Straubel型离子阱中,利用激光边带冷却技术将其冷却至最低振动能态。为了探测和测量铟离子参考用跃迁5s²¹S₀-5s5p³P₀的频率,使用一台Hz量级超窄线宽激光作为探测激光,用以获得量子跳跃信号。用一台以商用铯原子钟为基准的飞秒光频梳作为测量工具,对其频率进行了20次的精密测量,相对不确定度为5.0×10^-14。     

基于探测器法的光辐射源光谱辐射照度检测

黑体辐射器法和辐射探测器法是目前检测光辐射源光谱辐照度的常用方法,由于其检测系统庞大、操作要求高,从而限制了光辐射技术在工程应用中的发展。为此,提出采用探测器进行量值传递标定光辐射源光谱辐照度的方法。以黑体辐射理论为基础,采用辐照度测量方法标定P3207型红外探测器,并利用该探测器检测由PY12-20型卤钨灯构成的光辐射源。实验搭建了由光辐射源、快门及光阑组件和探测器组件组成的光辐射源测量装置。     

空间相干光通信中基于DSP的多普勒频移补偿技术

目前通常采用光锁相环(optical phase-locked loop,OPLL)完成空间相干光通信中的相位同步.针对光锁相环性能受空间通信终端间多普勒频移影响的不足,采用基于数字信号处理(digital singnal procesor,DSP)的开环方法补偿多普勒频移,并将开环补偿方法应用于一种递推解调系统中,根...     

水中放电等离子体辐射特性研究

在考虑电离能修正情况下，对水中放电等离子体(PPDW)辐射特性作了分析．结果表朗，当通道压力为1MPa时，PPDW辐射不能看作黑体辐射．当通道压力为0．1GPa、温度在16000～35000K时，PPDW满足黑体辐射的两个条件，其辐射可看作是黑体辐射．若通道压力达1GPa，则在11000～60000K范围内其辐射都可看作黑体辐射．