基于闭环制冷离子光频标的探索研究

The iontrap is one of the ideal systems to achieve the frequency standard. However, the ion in the trap is still influenced by the environment，especially single ion. In low temperature environment, the collision between the trapped ion and the background gas is suppressed, and the ion can stay longer in the trap. The influence of the transition frequency which is caused by the background radiation is also greatly reduced in low temperature environment. In this project, the research will be developed as follows. The mercury ion is supposed to be trapped in a ring trap. And the environment is going to be cooled using a cryo-refrigerator. The ion-trapping experiment will be developed in low temperature environment.Based on the platform, the frequency shift caused by the blackbody radiation from the environment and the fluence of mechanical vibration to ionic micro-motion will be studied. It is expecting to find an effective way for reaching 10-18 level at time and frequency uncertainty.

离子阱是实现频标的理想体系之一，但离子阱中的离子还是会受到外界环境的影响，尤其是单离子体系。低温环境能够减小阱中囚禁的离子与背景气体的碰撞，提高离子的囚禁时间，并能大幅度减小环境的黑体辐射对离子跃迁谱线的影响。本项目计划使用环形离子阱囚禁汞离子，利用压缩制冷机对离子的周围环境进行冷却，开展低温环境下的离子囚禁实验，并在此基础上研究机械振动对离子微运动的影响，以及不同低温条件下背景黑体辐射对系统频移的影响,期望能为时频测量不确定度达到10-18探索有效途径。

时间频率的计量与人们的日常生活息息相关，时间单位秒的定义及其测量的准确性在国防建设、科学研究和国民经济各个领域有着深刻的影响。汞离子光频标是一种非常优异的光频标体系，它具有能级结构更简单、能级裂间距大、对环境变化不敏感等优势，因此潜在指标高。国防科技大学首次提出基于闭环制冷的汞离子光频标的实现方案，这也是国际上继美国NIST之后开展汞离子光频标研究的第二家单位。. 本项目主要针对闭环制冷汞离子光频标中所涉及的关键技术开展研究。具体研究工作包括：. 1，实现了汞离子云的俘获。. 2，设计制作了闭环制冷离子俘获系统，并在低温下俘获到了钙离子，探索了闭环制冷离子频标的可行性。. 3，研制了1Hz的1126nm超稳激光系统，并进行四倍频产生了282nm钟跃迁激光。. 4，研制了小型化集成化的254nm四倍频激光器，并找到了汞原子七种同位素的光谱，观察到了汞离子晶体。. 5，在原子结构精密谱计算方面开展了一系列理论研究。. 在本项目的支持下取得的主要成果包括：发表学术论文8篇（SCI收录5篇，EI收录3篇），正在撰写论文3篇，申请发明专利1项，参加国际会议5人次，培养博士生1名，硕士毕业生生3名。研制的紫外连续激光器取得重大突破，并成功应用于国内同行。2016年11月底在北京召开了成果鉴定会，评定结果为：国内领先，国际先进水平。该项技术填补了国内空白，可以为国内精密测量同行提供定制化优质光源。