A Portable Dual-Color Two-Photon Rubidium Optical Frequency Standard
本文介绍了一种基于铷-87双色两光子激发的全自动、便携式光学频率标准，该标准通过集成商用电信技术和便携式光学频率梳，实现了高分数频率稳定性（8000秒时为），从而证明了光学原子钟在实验室环境之外进行野外部署的可行性。
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时间是维系现代文明的无形纽带。每当智能手机连接网络、船只在公海航行或卫星向接收器发射信号时，都依赖于一个精确到十亿分之一秒的钟表。几十年来，最可靠的便携式时钟一直使用微波进行“滴答”计时，这项技术虽然表现出色，但正逐渐达到其极限。科学家们早已意识到，使用光代替微波可以创造出更加稳定的时钟，但这些“光学”时钟传统上是庞大且脆弱的机器，只能在受到严格控制的实验室环境中运行。挑战在于如何将这种精密的设备缩小到可以移动、能够承受移动车辆颠簸并能在实验室工作台之外保持完美计时的尺寸。
来自阿德莱德大学的一个研究小组成功构建并测试了一款完全符合上述要求的便携式原子钟。他们创造了一个可以装入标准设备机架（大小约如一个大型手提箱）内的自给自足单元，该单元可以在野外自主运行。该设备使用一种特定的原子——铷，并利用一种涉及两种不同颜色光的巧妙方法来测量时间。通过将用于电信领域的成熟商用技术与定制系统相结合，他们证明了光学时钟现在可以在实验室之外运行。在一次大型国际海军演习期间进行的测试中，该时钟保持时间的稳定性足以媲美顶尖的实验室仪器，这证明了下一代计时技术已经为现实世界做好了准备。
这款新时钟的核心是一个包含温暖铷原子蒸汽的玻璃池。为了测量时间，研究人员向这个池内射入两束激光。一束激光产生的波长为780纳米，另一束则为776纳米。当一个原子同时吸收来自这两束激光的一个光子时，它会跃迁到更高的能量状态。这种特定的跃迁便是时钟的“滴答”声。研究人员设计该系统使用两种不同颜色的光而非仅用一种，这一选择使他们能够在使用更弱激光功率的同时获得更强的信号。当原子完成这次跃迁后，它们最终会落下，释放出一道420纳米的蓝光。时钟通过检测这种蓝光来进行工作；如果激光频率调谐得非常完美，蓝光就会最亮；如果激光发生轻微漂移，蓝光就会变暗。系统通过不断调整激光以保持蓝光处于峰值，从而确保时钟锁定在原子跃迁的精确频率上。
为了实现便携化封装，团队必须解决几个工程难题。激光本身是沿着光纤传输的红外光，类似于全球通信中使用的互联网基础设施。在设备内部，这些红外光束被转换为激发原子所需的可见光（780和776纳米）。整个光学装置被安置在一个金属盒中，旨在保护精密部件免受振动和温度变化的影响。该系统的一个关键部分是光学频率梳，它充当了光的“尺子”，允许设备将光波极其快速的振荡转化为标准计算机和导航系统可以使用的稳定电子信号。这种频率梳既能产生稳定的光学信号，也能产生微波信号，使该设备能够与现有的电子基础设施兼容。
研究人员在严苛的环境中对他们的创造进行了测试。他们将该时钟带到了2022年“环太平洋”演习，这是一场涉及太平洋上各类舰船和飞机的规模宏大的国际海军演习。该单元经历了空运和海运，在移动车辆的后部运行，并在海军舰艇的甲板上自主运行。在整个旅程和演习过程中，该时钟能够自动启动，稳定其内部回路，并在无需人工干预的情况下开始计时。当团队将设备带回实验室时，他们将其性能与其它高精度时钟进行了对比。在出发前，该时钟在测量一秒后的分数频率稳定性为1.9 × 10⁻¹³。经过8,000秒后，其稳定性达到了3.5 × 10⁻¹⁵。对于便携式光学时钟而言，这一水平的精度是一项重大成就，它超越了许多商用微波时钟的表现，并达到了以往单色光学设计的稳定性，同时还具备了完全自主和具备实战能力的优势。
结果表明，该技术已趋于成熟，可以投入实际应用，尽管研究人员注意到性能在国际运输后略有下降。他们将这种轻微的性能退化归因于光束对准的机械问题，即由于旅途中的振动导致了偏移。这并非概念性的失败，而是一个可以在未来版本中修复的具体工程障碍。团队相信，通过进一步改进机械设计以及集成光子电路，这些设备的体积、重量和功耗可以进一步降低。这次成功的演示标志着一个转折点，表明光学原子钟不再仅仅是实验室里的奇珍异宝，而是正在成为导航、科学研究以及在GPS信号可能缺失或不可靠的环境下进行安全通信的可靠工具。
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