我国新型铷原子钟核心指标取得新突破

1月13日，观察者网从中国科学院精密测量科学与技术创新研究院网站了解到，近期，精密测量院梅刚华研究团队研制的铷原子钟，测得9.0×10-14τ-1/2（1s~100s）的短期频率稳定度测量结果。这是铷原子钟频率稳定度指标首次进入10-14τ-1/2量级。相关论文近日为国际权威期刊《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》上发表，并在IEEE官方网站先期刊出。

频率稳定度是原子钟的核心指标。为了进一步改善铷原子钟的频率稳定度，研究人员从提高原子信号信噪比、降低探寻微波的相位噪声和抑制原子体系的环境敏感性三方面入手。物理系统设计采用了具有自主知识产权的开槽管微波腔、内径为40 mm的大尺寸铷气泡、高光谱纯度抽运光源和双重滤光等新技术，将原子信号信噪比决定的频率稳定度提升到4.7×10-14τ-1/2水平。设计了一款低相噪频率综合器，将电路噪声对铷钟稳定度的影响控制在6.0×10-14τ-1/2 水平。研究人员还利用密封箱实现物理系统与大气环境的隔离，将大气环境气压波动对铷钟稳定度的影响减小了一个数量级。基于以上技术，研制出新型铷原子钟原理样机。利用主动型氢钟（H-maser）和超腔光生微波（OMG）作为参考源，测量了铷钟频率稳定度。扣除参考源影响后的结果显示，铷钟短期频率稳定度分别为9.0×10-14τ-1/2 (1s~100s)和 9.1×10-14τ -1/2 (1s~100s)，如下图中红色虚线所示。

铷原子钟是目前市场占有率最高的原子钟，广泛用于卫星导航、通信、电力、金融等国防和经济领域。商用小型化铷钟频率稳定度多在10-11τ-1/2到10-12τ-1/2水平。梅刚华团队的此项结果创造了铷钟频率稳定度新的国际纪录，而此前的国际纪录也是由该团队保持，为我国北斗卫星导航系统研制的第三代星载铷原子钟，频率稳定度为7.0×10-13τ-1/2，是国际首款稳定度为10-13τ-1/2量级的铷原子钟。此次技术突破，进一步扩大了我国铷原子钟技术的领先优势，对于发展高品质微波振荡器技术、研制新一代北斗系统星载原子钟具有重要意义。

该突破性进展以“Realization of a Rubidium Atomic Frequency Standard with Short-Term Stability in 10-14τ-1/2 Level”为题发表在《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》 上（Early Access），博士生崔家齐为第一作者，梅刚华、钟达为通讯作者，精密测量院为唯一完成单位。