近日，中国科学院国家授时中心的原子钟研究团队提出并实现了一种基于量子干涉增强吸收光谱的紧凑型光学钟，该成果有望在微定位、导航与授时等系统中发挥重要作用。

研发背景

在现代科技发展的进程中，高精度的时间测量和频率标准起着举足轻重的作用。从全球卫星导航系统，到高速通信网络，再到各类科学研究实验，都依赖于极其精确的时间和频率基准。光学钟作为当前最精确的时间频率标准之一，成为科研人员竞相钻研的焦点。

中国科学院国家授时中心的原子钟研究团队，一直致力于原子钟技术的创新与发展。此前，基于相干布居囚禁（CPT）原理的芯片级微波原子钟取得了成功，这一成果为团队的研究奠定了坚实基础。与此同时，光学微梳技术也在不断发展，为光学钟的研究带来了新的思路和方法。

受这些成果启发，研究团队提出并演示了基于铷原子系综双光子跃迁的芯片级光学钟。相较于传统光学钟，这款芯片级光学钟在频率稳定性和精度方面有了显著提升。然而，传统方案存在一些难以忽视的问题。其所需的高气室温度（100℃）和较高激光功率（10 mW），极大地限制了光学钟向全微型化、低功耗方向发展。

在实际应用场景中，诸如微定位、导航与授时等系统，对设备的尺寸和功耗要求极为苛刻。全微型化、低功耗的光学钟成为这些系统发展的迫切需求。

突破限制

面对传统方案的局限，研究人员深知，要实现紧凑型光学钟的研发，必须另辟蹊径，开发创新方法。他们将目光聚焦在铷原子 D₁ 线，试图通过挖掘其特性来找到突破点。

经过深入研究，研究团队发现利用铷原子 D₁ 线的增强吸收亚多普勒共振是关键所在。为实现这一目标，他们采用单色光，并对向泵浦光与探测光束的偏振设置进行精确调节。在这一过程中，研究人员观测到了一种特殊现象：由泵浦光与探测光制备的两个暗态之间会发生相长或相消干涉，进而导致吸收增强。

这种吸收增强现象具有重要意义，它所产生的无多普勒展宽共振信号，具有高信号幅值 - 线宽比，为实现高性能光学钟提供了理想条件。与传统方案相比，这一创新方法在多个方面展现出优势。

在激光功率和气室温度要求上，该方案有了大幅改善。仅需中等激光功率（约 100 µW）和气室温度（约 40℃），即可获得光谱信号。这一特性对于构建紧凑型光学基准至关重要，大大降低了设备的能耗和尺寸限制。

为了深入理解这一光谱方案的原理，研究团队建立了理论模型。通过该模型，研究人员阐明了塞曼暗态在其中的关键作用。理论计算的光谱信号与实验观测高度吻合，这不仅验证了理论模型的正确性，也为进一步优化方案提供了有力支持。

性能验证

研发出紧凑型光学钟的雏形后，验证其频率稳定性成为关键环节。研究人员采用了一种有效的方法，将两台相同的半导体激光器频率锁定至增强吸收亚多普勒共振信号。通过这种方式，深入研究关键参数对亚多普勒共振特性的影响。

利用这一简单架构，研究人员演示了锁定激光的拍频信号。实验结果令人振奋，其频率稳定度在 1 秒积分时间下达到 1.8×10⁻¹²，10,000 秒时低于 10⁻¹¹。与自由运行状态相比，提升了两个数量级以上。这表明该紧凑型光学钟在频率稳定性方面表现卓越，具备极高的实用价值。

基于其出色的性能，紧凑型光学钟在未来有着广阔的应用前景。在仪器仪表领域，它可作为高精度的频率基准，提高各类测量仪器的精度和稳定性，为科学研究和工业生产提供更可靠的数据支持。

在导航领域，紧凑型光学钟的应用有望进一步提升导航系统的精度和可靠性。无论是卫星导航还是室内定位等微定位系统，高精度的时间和频率基准能够更准确地确定位置信息，为人们的出行和各类导航相关应用带来极大便利。

在计量学领域，紧凑型光学钟将发挥重要作用。它可以为计量标准提供更精确的时间和频率参考，推动计量学向更高精度发展，确保各类物理量测量的准确性和一致性。

此外，紧凑型光学钟还可能在通信、金融等众多领域产生积极影响。随着技术的不断发展和完善，紧凑型光学钟有望成为推动各领域技术进步的重要力量，为社会发展带来更多可能。