2012CB821300-G光频标关键物理问题与技术实现.Doc

项目名称：光频标关键物理问题与技术实现首席科学家：高克林 中国科学院武汉物理与数学研究所起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容1、拟解决的关键科学问题决定原子光频标的准确度和稳定度的因素主要是有谱线的宽度和稳定性、伺服系统的信噪比和外界环境以及物理效应的影响。而影响原子谱线精确度的根源，在于环境对原子能级的干扰以及与原子运动有关的各种效应，而稳定度取决于这些因素随时间的变化关系。与环境隔离（离子阱和光晶格囚禁）或将原子冷却（冷原子）就是主要的手段。而随着频率稳定度提高，在更高阶水平上一些更细微和新的影响因素将显露出来，如多体碰撞效应、黑体辐射效应、Dick 效应、量子噪声、相对论效应等。为此本项目拟解决的关键科学问题：激光冷却与操控原子新的物理机制与方法，有效的冷原子（离子）的制备和控制方法；影响原子光频标准确度和稳定度的高阶小量的物理因素和克服途径，如冷原子碰撞和黑体辐射的物理研究及其对光频标的影响；极端条件下不同物理起源的噪声理论，用于原子跃迁谱线探测的超窄线宽激光的激光物理；光频的精密测量和传输；类碱金属原子和奇同位素离子的光频标机理；新原理和新方法用于提高原子光频标精确度的可能性，探索量子逻辑原子光频标的机理。2、重要研究内容：1） 囚禁离子光频标 目前Ca+ 离子光频标达到10-15的量级，与理论可能极限优于10-17还有一定的差距。为此开展高精度Ca+ 离子光频标的研究：通过囚禁离子量子态的实现和操控，实现囚禁离子的更有效冷却；通过两个阱中囚禁离子光频的比对实验，进一步研究外场和环境对离子光频跃迁的影响和克服方法；探索利用奇同位素离子形成高精度光频标的可能性。开展量子逻辑Al+光频标的研究：影响量子逻辑高保真度运行的离子退相干机制；利用拉曼边带冷却方法快速有效地将离子的运动冷却到量子振动基态的技术实现；基于量子逻辑Al+ 离子光频标系统误差的精密测量和估算。2） 光晶格中冷原子频标 Yb原子光频标的研究已达到10-16量级，但与极限有差距。为此可以开展探索实验：采用新的亚多普勒冷却突破多普勒冷却极限，获取超冷Yb原子；光晶格中长时间囚禁更多冷Yb原子提高光钟信噪比和消除冷原子碰撞频移；消除黑体辐射频移的方法。3）超窄线宽激光：超窄线宽激光的实现，导致光频标的不确定度向更高精度迈进。重点开展细微的物理和环境效应研究，突破亚Hz线宽。同时提高激光的频率稳定性；研究激光稳频系统中的频率噪声机制；探索进一步降低稳频激光频率噪声、提高频率稳定性的新方法、新技术。4）宽谱低噪声光纤飞秒光梳：高重复频率光纤飞秒激光频率梳是光频标研究和未来光频传递比对研究中不可或缺的重要光学频率综合器。为此重点研究如何降低光纤飞秒激光频率梳的相位噪声，通过确定噪声来源，电路反馈控制噪声源等技术手段，抑制环境、温度、电流等对光纤光梳造成的影响，进一步降低相位噪声。5）原子频标中的基础理论与新方案： 光频标发展到如此精密的程度，它精度的极限在哪里？影响精度的物理与技术因素是什么？如何突破现有的精度极限？由此可探讨光频标所需的精密光谱计算和各种实验误差的物理来源与控制；光频标系统的各种量子效应的内在机制与调控应用，特别是量子噪音的极限与突破和多体量子效应的内在机制与调控应用；以及光频标的新原理与新方法。二、预期目标总体目标：研究原子光频标相关的基础物理问题和关键技术；在新原理原子频标的方案研究和技术实现方面有所创新和突破；力争在我国建立高精度的原子光频标，并以此推动我国精密测量物理的研究。五年预期目标：原子频标的发展面临许多的挑战和机会，需要不懈的努力和探索，以及雄厚的技术积累和储备。本项目将选择冷原子和新原理光频标作为主攻方向，掌握原子光频标的若干关键技术，取得研究上的重要突破和进展。建立起光钟频率的不确定度优于10-16的冷原子光频标系统：建立囚禁冷却40Ca+ 离子光频标，扩展为43Ca+ 光频标。建立光晶格囚禁冷却Yb原子光频标。初步建立囚禁冷却Al+ 离子量子逻辑光频标。同时，培养一支研究骨干队伍，形成国内重要的研究基地，为发展我国的原子频标的长期目标打下扎实的基础。具体目标：1. 通过对细致的物理和环境效应的研究，以及两个阱的比对实验，研制成不确定度优于10-16量级的Ca+ 离子光学频率标准;并探讨奇同位素Ca+ 离子光频标的可能性。2. 研究冷原子运动和量子态的精密操控方案；初步建立囚禁冷却Al+ 离子量子逻辑频标。3. 优化冷Yb 原子钟态跃迁谱，特别是光晶格囚禁原子的特性。实现对激光频率的锁定，获得不确定度优于10-16数量级的冷Yb 原子光学频率标准。4. 研制用于新一代光钟的高稳定、实用的光频本机振荡器。建立激光锁频系统剩余频率噪声的模型。将连续波Nd:YAG、半导体等类型激光的线宽压缩降至1 Hz以下。研制高稳定光学谐振腔。5. 建成重复频率200MHz左右、光谱覆盖可见到红外范围的掺Er或掺Yb的光纤光梳，实现重复频率和载波包络相位漂移频率（CEO）的低噪声、长时间锁定。6. 开拓和发展光频标系统的理论分析与精密光频计算的方法，给出实验光频标所需的精密光谱和各种误差的物理来源与极限；揭示光频标系统的量子噪音的内在机制与极限，揭示多粒子光频标系统的多体量子效应的内在机制，探索基于原子系综体系和组合量子体系的新型光频标的可能性。三、研究方案1、 学术思路瞄准原子频标基础研究中最前沿最根本的问题和国家重大需求。预期研究结果有可能对最精密的时间频率的标准制定和物理学相关基本理论的验证产生重要影响。本项目的特色是它的基础性,前沿性和交叉性。高精度的冷原子光频标是目前频率准确度最高的原子时间频率标准，也是国际时间基准重新定义（2019年）的有力竞争者。开展高精度光频标的研究，这可为我国积极参与新的国际量子计量标准的制定，并争取更大的发言权提供重要的支持。根据大统一理论(例如弦理论、M理论)，基本物理常数可能是变化的。最近关于类星体吸收谱的实验得到精细结构常数a可能在时空内变化。冷原子光钟不仅具有最高的频率精确度，而且不同光钟的频率比值只与a 有关，而与电子质子质量比以及核磁矩无关。所以我们建立起高精度的冷原子光频标，可以用来测量现在精细结构常数的变化，并且可能是对基本物理规律验证的最有希望的方法之一。2、 技术途径各课题分别以冷原子/离子和精密光谱测量为公共技术平台，相互之间从技术到科学内涵形成有机的整体：将以冷原子/离子光频标为研究重点，将着重解决原子光频标中的光频跃迁探测激光的线宽致窄、光频的测量和比对、提高信噪比以及降低和控制频移等关键科学和技术问题。同时探索新的原子频标新原理与新方案，采用新方法和新技术以期提高原子光频标的性能。以此实现高精度的光频标。 3、特色和创新点瞄准原子频标领域中最重要的科学问题开展创新性的研究：由于激光囚禁和冷却原子的发展，使精密谱测量和原子频标进入了一个崭新的时代，而新原理和新技术的发展，将有可能从原理上解决现有技术途径原则上不可避免的误差来源。为此我们在开展理论研究的同时，在实验上开展探索性的工作：l Paul阱中Ca+离子光频测量不确定度才达到10-14量级，而新近在线形阱中超冷离子的光频测量不确定度刚到达10-15。但目前还没有对系统误差进行完全的实验和理论分析。离子光频测量的极限精度还有相当距离。为此实现40Ca+ 离子光频跃迁的精确测量和外场和环境的精细效应研究是具有挑战性的工作。由此，实验同理论紧密结合，探讨实现外场和环境的补偿和精确控制的方法，单离子与背景气体的碰撞效应，环境温度控制和测量。探索减小和克服引起离子光频跃迁频移效应的新方法。得到精密的离子的光频跃迁谱。开展两个囚禁离子光频的同步比对实验，探讨外场和环境效应的细微影响。由此研制成高精度的40Ca+ 离子光频标。选择与磁场效应不敏感的奇同位素43Ca+为侯选的体系开展实验研究，探讨新的离子体系用以减小相关频移而实现更高性能的光频标。l Yb原子光频标的研究已达到10-16量级，但与极限有差距。为此可以开展探索实验：Yb 原子578nm钟跃迁激光的产生新方法；Yb 原子光晶格光场759nm的魔幻波长（magic wavelength）的精确确定和控制和用光缔合效应控制Yb原子光晶格格点上的原子数；用绝热冷却技术实现Yb原子的深度冷却；利用内置于超高真空腔的超低温小腔降低黑体辐射频移。l 尽管Al+ 离子光频标的系统误差为目前世界最好水平（进入10-18） ，但仍有提高余地。一是运动相应，为此可开展利用Mg+ 离子的感应冷却和囚禁离子的深度冷却，实现高性能的量子逻辑光频标。二是研究表明：Al+ 离子光频标的系统误差主要由二阶多普勒效应产生，而该二阶多普勒效应主要是由于离子阱必须同时囚禁两个离子而产生的。为此拟进一步开展囚禁单个Al+ 离子光频标机理的研究。从而进一步降低系统误差，实现我国光频标研究的跨越式发展。4、 可行性分析本项目是以建立冷原子和冷离子以及精密光频测量平台为基础，开展光频标基本物理问题研究并实现高精度的光频标。主要由波谱与原子分子物理国家重点实验室，精密光谱科学与技术国家重点实验室,基本物理量测量教育部重点实验室和光物理中科院重点实验室主持实施。波谱与原子分子物理国家重点实验室长期从事原子频标的研究工作，已开展了冷原子/离子光频标的研究。精密光谱科学与技术国家重点实验室有多年从事精密光谱的研究，也已开展了冷原子光频标的研究。华中科技大学的引力实验与理论研究群体自1983年以来一直从事以静态引力实验为主的精密测量研究工作。研究群体在原子频标和相关物理量精密测量领域积累了丰富的经验，取得了一些重要研究成果。现在已开始了囚禁离子光频标的研究。而光物理中科院重点实验室开展了飞秒光梳和精密光谱的研究。这些相关研究工作基础和已建立的实验平台，加上这些实验室在前期“973”项目和国家基金委重大项目支持下，在光频标方面的前期有效的工作积累，为我们开展本项目研究提供了基本的保证。5、 课题设置本研究项目将分三个层次共5个课题。课题设置及个课题的相互关系见下表所示：课题设置及相互联系项目层次主要物理与技术问题课题号相互关系光频标的物理问题与技术实现冷原子体系囚禁冷却离子112分别侧重新型原子光频标的一个特定的物理体系。3-4是光频标的关键技术与方法问题。5对整个研究起牵引作用。光晶格中的原子2关键技术和方法超窄线宽激光3飞秒光梳4理论原理、方案5课题具体研究任务：课题1、冷离子光频标的基础研究目标：以离子阱中冷却离子体系为研究对象，从实验上实现单个40Ca+离子的捕获、冷却以及2S1/2-2D5/2光频跃迁的测量；完成40Ca+离子光频标的锁定和光梳测量。探讨奇同位素43Ca+离子作为光频标的可能性。并开展基于量子逻辑的Al+ 离子光频标研究。 研制成功不确定度优于10-16的Ca+离子光频标。自主搭建一台基于量子逻辑技术的Al+ 离子光频标系统。主要研究内容：1) 单个Ca+离子的冷却和操纵：研究适合囚禁单个离子特殊阱构型的离子阱系统, 开展单个离子的稳定捕获、亚Doppler冷却实验。利用离子的量子跳跃原理和高灵敏的成像系统测量单个离子的信号。2) 冷却离子的光频跃迁的测量和锁定: 采用离子量子跳跃的方法，测量冷却离子光频钟跃迁、原子精细结构的磁子能级及相关物理学常数, 获得相关原子分子体系的能级和辐射跃迁参数。探索Ramsey 方法在离子光频标中的应用，并完成光频锁定实验。3) 光频标的外场和环境效应的研究：建立第二套囚禁离子装置，细致开展电、磁场对精确谱的干扰和消除；环境对精确谱的影响和消除，特别是囚禁的运动效应，AC-Stark 效应，电四极矩频移和黑体辐射效应的效应，以及新的频移机理和克服方法。4) 探讨奇同位素43Ca+实现光频标的可能性。奇同位素43Ca+离子的产生和囚禁。利用组合冷却方法实现43Ca+离子的激光冷却。研究43Ca+的超精细结构，寻找最佳的43Ca+光频标的离子跃迁能级。5) 量子逻辑Al+ 离子光频标的探索性研究。利用感应冷却实现Al+离子的冷却；研究影响量子逻辑高保真度运行的各种离子退相干机制；研究利用逻辑离子内部量子态变化来推断铝离子内部量子态变化的统计不确定性；探讨影响Al+离子光频标准确度的各种系统误差及可能提高途径。参加研究的单位：中国科学院武汉物理与数学研究所，华中科技大学课题负责人：高克林主要学术骨干：何明、陆泽晃、黄贵龙、冯胜、邵成刚、黄毛毛课题2、冷原子光频标的机理研究目标:开展类碱土金属原子Yb的激光冷却、囚禁的基本物理过程的研究，获得类碱土金属冷原子气体；结合光场时频域精密控制技术与冷原子技术，开展冷Yb原子光钟的研究。研究类碱土金属原子1S0态能级的环境敏感性,探索光晶格和光晶格频标的新方案，完成Yb原子的钟态跃迁谱的测量与对应钟态跃迁频率的锁定，研制不确定度优于10-16的高精度光频标。主要研究内容：1) 冷Yb 原子的制备。在原已完成冷却实验基础上，进一步完善冷却的实验条件，对冷却的物理过程及参数进行深入理解与优化，制备出更低温度的冷Yb 原子。2) 探索新的亚多普勒冷却机制，实现Yb 原子的深度冷却，获取超冷Yb 原子。3) 冷Yb 原子光晶格的研究。开展并完善冷Yb 原子光晶格实验，优化物理参数, 操控冷Yb 原子在光晶格中的量子特性。4) 开展冷Yb 原子光钟中的碰撞频移理论和实验研究，特别是产生机理及消除方法。5) 开展Yb 原子光钟中的黑体辐射频移理论和实验研究，特别是解决方案的探索。6) 开展Yb 原子光钟频率不确定度的研究。参加研究的单位：华东师范大学 中国科学院武汉物理与数学研究所课题负责人：徐信业主要学术骨干：毕志毅、贺凌翔、刘金明、蒋燕义课题3、超窄线宽激光研究目标:研制成用于新一代光钟的高稳定、实用的光频本机振荡器。实现将Nd:YAG激光和半导体激光的线宽压缩至1 Hz以下。实现光学谐振腔的研制，为国内加工超高精细度光学谐振腔打下基础。主要研究内容：1） 研究激光频率在高稳定高细度光学谐振腔上的锁定技术。包括超精细F-P光谱的探测技术，合适的光学系统和电子学控制系统。寻找影响激光频率稳定性的各种重要影响因素及其相应的解决方案，研究锁定系统中的噪声，起伏和漂移的来源和抑制。2） 研究激光系统性能的优化，包括更低的强度和频率噪声的实现，提高激光器的快速频率响应和调谐带宽，研究进一步提高激光器的输出光束和频谱质量、开环功率和频率稳定度。3） 高稳定性光学谐振腔的研制。研究高稳定高细度光学F-P谐振腔的实现，腔体材料零膨胀特性的测量与分析；高反射率腔镜的精确测量；定量分析环境效应对光腔稳定性的影响；温度、振动等环境效应的精确控制。4） 研究激光稳频系统中的频率噪声机制；建立稳频系统中频率噪声模型并在试验上进行验证。5） 进一步提高729nm(Ca+离子光频跃迁)和578nm（Yb 原子光频跃迁）超稳窄线宽激光器稳定性。6） 探索进一步降低稳频激光频率噪声、提高频率稳定性的新方法、新技术。参加研究的单位：中国科学院武汉物理与数学研究所 华东师范大学 课题负责人：陈李生主要学术骨干：马龙生、管桦课题4、宽谱低噪声光纤飞秒光梳研究目标:研制用于实现光频标和微波之间相互连接的宽谱光纤飞秒光学频率梳。建成重复频率200MHz左右、光谱覆盖可见到红外范围的掺Er或掺Yb的光纤光梳，实现重复频率和载波包络相位漂移频率（CEO）的低噪声、长时间锁定。进行光纤飞秒光梳倍频、和频、差频、超连续等非线性频率变换技术研究，以期将光纤光梳的光谱范围扩展到紫外波段。主要研究内容：1) 研制高重复频率的光纤飞秒激光振荡器。通过计算激光脉冲在光纤中的传输和产生过程，确定单模光纤和增益光纤的最佳长度比，设计合适的光纤激光器腔形结构，实现光纤激光器的自锁模运转。相关技术包括光纤的切割、焊接、融接技术，光纤激光偏振锁模技术，光纤激光脉宽压缩、放大技术等。2) 进行光纤飞秒激光脉冲CEO频率的测量和电路伺服反馈控制飞秒脉冲重复频率和CEO频率锁定的研究。经PCF产生超连续光谱，采用f-2f干涉技术测量CEO频率；优化和提高CEO拍频信号的信噪比；同时压窄CEO信号线宽，初步降低相位噪声；研制锁相环伺服反馈电路，通过控制光纤长度及泵浦光电流实现对重复频率和CEO频率的精确控制。3) 开展两台光纤光梳的比对研究，确定光纤光梳的不确定性极限。利用一台单频稳频激光器与两台不同重复频率的光纤光梳拍频，进而得出光纤光梳的稳定度特性。4) 对光纤光梳进行倍频、三倍频、和频、差频等非线性频率变换研究。通过频率上转换过程，可以将光纤光梳的光谱范围向紫外扩展，例如三倍频得到267nm（Al+离子光频标），二倍频得到578nm（Yb原子光频标）和729nm(Ca+离子光频标)光频输出。参加研究的单位：中国科学院物理所 华中科技大学课题负责人：韩海年 主要学术骨干：聂玉昕、李德华、张洁课题5、光频标中的基础理论与新方案研究目标:开拓和发展光频标系统的理论分析与精密光频计算的方法，紧密结合各实验方案，给出实验所需的精密光谱和各种误差的物理来源与极限；揭示光频标系统的量子噪音的内在机制与极限，开拓和发展有效的新方法突破传统的量子极限；揭示多粒子光频标系统的多体量子效应的内在机制，寻找和发展有效的新方法对光频标系统的多体量子效应进行调控与应用；寻找或发展激光操控和冷却的新途径，探索基于原子系综体系和组合量子体系的新型光频标的可能性。主要研究内容：1) 光频标技术实现的理论基础与理论导向调研和评估国际上现有光频标的主要方案，与各实验小组紧密结合，对具体的方案进行理论分析和精密光谱计算，分析各种误差的物理来源和控制，优选和改进现有方案，协助各实验小组提出技术上容易实现且具有自主创新的光频标实验方案。2) 光频标系统的各种量子效应的内在机制与调控应用深入分析光频标系统中的各种量子效应对系统参数的依赖性，揭示量子噪音的内在机制和极限，发展突破传统量子极限的新方法，探讨光频标系统在物理学基本定律验证和量子科学前沿问题研究中的可能应用，如探讨自旋压缩和多体量子纠缠在高精度光频标的可能应用，离子光频标系统的内外自由度相互耦合的内在机制与调控应用，光晶格冷原子光频标系统的多体量子效应的内在机制与调控应用，光梳在操控光频标系统的量子纠缠中的应用。同时，对光学晶格中的超冷原子气体，结合光晶格原子频标的实验进展和所面临的困难与挑战，发展有效的理论分析方法和数值模拟程序。3) 相对论原子结构理论及外场效应发展本项目涉及的Ca+, Al+, Yb原子/离子体系的新一代相对论原子结构理论。发展重原子结构计算新方法，对单价电子Ca+离子，采用相对论多体微扰理论和相对论蔟耦合理论高精度计算离子的基本性质（如：能级寿命、静态与动力学极化率等），与实验结合逐项分析各类微扰场导致的频率不确定度，重点致力于实验上难以精确测定的黑体辐射（BBR）移动的理论确定；针对两价电子Yb原子和Al+离子, 发展相对论微扰与组态相互作用相结合的高精度理论方法，提高在确定幻波长、光频移、BBR移动的重要物理量原子极化率的计算精度。4) 相关原子参数的精确计算结合光频标的实际物理体系，发展基于束缚态QED理论计算碱土金属原子、离子的超精细结构的计算平台。对冷离子频标，研究囚禁冷离子的超精细结构，探索减少频移的可能方案，计算分析电四极频移、交直流磁场效应和黑体斯塔克频移等对精确度和稳定度影响较大的因素。对光晶格原子钟，探索不同原子的魔波长计算，分析光频移对原子内部量子态的依赖性，计算磁场对钟跃迁谱线的影响，研究背景黑体辐射、原子外部运动、冷原子碰撞、光晶格势垒等外部因素对原子钟稳定度和准确度的影响。5) 光频标的新原理与新方法寻找或发展激光操控和冷却的新途径，分析原子系综和组合量子体系的量子相干特性和量子关联行为，针对原子系综和组合量子体系发展有效的量子操控新手段，探讨新型多粒子光频标的物理原理与技术可能性，如离子-中性原子组合光频标和原子系综光频标的物理原理与技术可能性。参加研究的单位：中山大学、中国科学院物理研究所、中国科学院武汉物理与数学研究所课题负责人：李朝红主要学术骨干：刘伍明、史庭云、于艳梅、李承斌、唐丽艳四、年度计划研究内容预期目标第一年实验单元和关键问题的研究l 单离子光频标：离子阱的建立囚禁Al+离子光频标装置和设备的准备l 冷原子光频标：在现有实验基础上，获得冷镱原子光频标雏形；同时对影响冷镱原子光钟精度与频率不确度因素开展理论分析和研究l 超窄线宽激光：稳频单元的设计光腔振动敏感性分析高Q值光腔的设计、加工l 飞秒光梳进行理论计算，设计飞秒光纤激光振荡器的腔型结构和加工l 理论研究：调研和评估国际上光频标的主要方案；探讨相应的优化囚禁方案与冷却方法；分析光频标系统频移l 单离子光频标：非标准Paul阱中Ca+ 离子的囚禁和冷却和光频的初步实验囚禁Al+离子光频标装置l 冷原子光频标：初步建立冷镱原子光频标l 超窄线宽激光完成单元部件稳频的280nm激光器（Al +）l 飞秒光梳建成飞秒光纤激光振荡器，实现锁模运转重复频率大概在200MHz左右，谱宽在30nm左右l 理论研究：且有自主创新的光频标方案完成单价电子体系相对协助论耦合簇理论相关公式和角动量图推导估计斯塔克频移和黑体辐射的引起的频移第二年l 单离子光频标：钙离子光频标钟跃迁频率初步测量及环境效应分析镁离子的囚禁和冷却l 冷原子光频标：优化冷镱原子光钟各单元系统，对频率不确度进行评估优化光晶格结构，测量能消除光频移的最佳波长，消除高阶光频移的理论和实验l 超窄线宽激光电子线路设计激光功率稳定和频率锁定光腔热噪声理论分析l 飞秒光梳进行理论计算，设计飞秒光纤激光振荡器的腔型结构和加工l 理论研究对光频标的实际物理体系，探讨相应的优化囚禁方案与冷却方法；分析光频标系统频移l 单离子光频标：钙离子光频标钟跃迁频率的初步测量结果得到囚禁冷却的镁离子l 冷原子光频标：完成镱原子光钟频率不确度的测量与评估l 超窄线宽激光剩余幅度调制造成的频率飘移1Hz实现激光的锁定得到热噪声的理论分析结果l 飞秒光梳将光纤振荡器输出的飞秒脉冲放大到200mW以上，光谱展宽到大于一个倍频程范围。l 理论研究光频标系统的各种量子效应的内在机制与调控原子系综体系和组合量子体系在光频标中的应用基于B样条基矢组的单价电子体系相对论耦合簇理论计算程序计算88Sr，43Ca的电四极矩，超精细结构常数，分析二阶塞曼效应对钟跃迁频率的影响第三年l 单离子光频标：钙离子光频标系统误差分析建立第二套钙离子阱铝离子的感应冷却利用飞秒光梳和量子逻辑，测量267.0nm激光的精确频率测量l 冷原子光频标:开展更高精度的镱原子光钟的研制工作。特别是在超高真空腔中需内设一个超低温小腔研制具有光晶格移动功能的装置l 超窄线宽激光:锁频系统调试稳频腔的性能改进l 飞秒光梳搭建飞秒脉冲载波包络相移频率的测量装置改造已建成的飞秒光纤激光振荡器，在腔内加入反馈控制的电子元件，同时设计制作用于控制腔长和载波包络相移频率的锁相环电路l 理论研究:分析计算光频标体系的各种频移、外场效应和相对论效研究光频标系统的各种量子效应及其调控探索探讨新型光频标l 单离子光频标：得到影响40Ca+离子光频标的系统误差来源。第二套阱实现Ca+ 离子的囚禁和冷却Al+离子的感应冷却267.0nm激光的精确频率测量l 冷原子光频标:设计与加工更高精度镱原子光钟的真空系统，安装与调试相关激光系统l 超窄线宽激光:真空室长期温度稳定度达到5 mK(5天)对声压的衰减在10-200Hz内达到10-100倍振动隔离度在1-200Hz内达到10-40dB光腔零膨胀温度测量精度优于0.1C，光腔温度调至该值研制成高精细度光学谐振腔，精细度优于100,000l 飞秒光梳得到信噪比大于35dB的拍频信号实现重复频率和载波包络相移频率的初步稳定控制l 理论研究:量子纠缠的制备和操控及其对光频标信噪比的影响完成Ca+的相对论耦合簇理论计算，为Ca+光频标系统误差分析计算Yb等原子的极化率，研究不同光学晶格中原子的光频移第四年l 单离子光频标:两个阱的比对40Ca+离子光频标的不确定度和稳定度评估利用飞秒光梳和量子逻辑，测量Al+离子的267.4nm激光的精确频率l 冷原子光频标：安装与调试更高精度镱原子光钟的真空系统，开展对相关激光系统的频率锁定实验在新的真空装置中开展镱原子的多级冷却及光晶格装载,开展钟态跃迁谱的探测l 超窄线宽激光：各级温控系统的优化谱宽、频率稳定性测量影响频率