研究人员展示了一款新型光学原子钟，它使用单束激光，不需要低温。通过大大降低原子钟的尺寸和复杂性，同时又不牺牲准确性和稳定性，这一进展有望实现紧凑便携的高性能原子钟。

亚利桑那大学研究小组负责人杰森·琼斯(JasonJones)说：“在过去的年里，下一代原子钟的性能取得了许多重大进步​​。”

“然而，许多这样的系统并不适合在现实世界中使用。为了将这种先进技术带出实验室，我们使用了一种简化的设计，其中单频梳状激光器既充当时钟的钟摆或滴答机制，又充当跟踪时间的齿轮。”

频率梳是一种能发射数千种间距规则的颜色或频率的激光器，它对原子钟和计时具有革命性意义。在《光学快报》杂志上，琼斯和同事描述了一种光学原子钟，它使用频率梳直接激发铷-87原子中的双光子跃迁。他们表明，这种新设计实现了与使用两个激光器的传统光学原子钟相同的性能。

论文第一作者塞思·埃里克森(SethErickson)表示：“这一进步还可以帮助增强依赖于卫星原子钟的GPS网络，提高性能并使备用或替代时钟更易于访问。”

“这也是将高性能原子钟引入日常应用甚至人们家庭的第一步，例如，这可以使电信网络非常快速地在不同的对话之间切换。这可以使许多人同时通过相同的电信信道进行通信并提高数据速率。”

基于直接频率梳激发的新型光学原子钟(如图所示)在实验室中实现了与使用两个激光器的传统光学原子钟相同的性能。图片来源：JasonJones，亚利桑那大学

简化高级计时

在光学时钟中，用激光激发原子能级会导致原子在特定能级之间跃迁。这些跃迁的精确频率充当时钟的“滴答声”，从而可以高精度地测量时间。虽然便携式级光学原子钟已经开发出来，但最准确、最稳定的光学时钟使用在接近绝对零度的温度下捕获的原子来最大限度地减少原子运动，这可以改变原子所经历的激光频率。

为了避免这种极端冷却的需要，琼斯和同事们使用了需要吸收两个光子(而不是一个光子)才能移动到更高能级的原子能级。当光子从相反的方向发送到原子时，其中一个光子上的运动效应会抵消另一个光子上的运动效应。这允许使用热原子(100°C)和明显更简单的时钟设计。

琼斯说：“这项工作的一大创新是，我们不再使用单色激光从各个方向向原子发送光子，而是通过频率梳发送多种颜色的光子。”

“使用来自频率梳的不同颜色的正确光子对，可以让它们以与单色激光产生的两个光子相同的方式叠加在一起，从而以类似的方式激发原子。这消除了对单色激光的需求，进一步简化了原子钟。”

研究人员表示，商用频率梳和坚固的光纤元件(如布拉格光栅)在电信波长的广泛应用极大地促进了这种新设计的开发。他们使用光纤布拉格光栅将宽带频率梳频谱缩小到100GHz以下，以铷-87原子跃迁为中心。这种窄带滤波频谱增加了频率梳输出与铷-87原子激发光谱之间的重叠。

时钟比较

为了测试新方法，研究人员将两种几乎完全相同的新型直接频率梳时钟与使用额外单频激光器的传统时钟进行了比较。新时钟表现出一致的性能，1秒时不稳定性为1.9×10−13，2600秒时平均不稳定性降至7.8(38)×10−15。该性能与传统时钟以及使用单频激光器架构的其他已发表结果相似。

研究人员目前正在努力改进他们的光学原子钟设计，使其更小、更稳定，并融入激光技术的新进展。直接频率梳方法也可以用于其他双光子原子跃迁，包括目前低噪声单频激光器无法实现的跃迁。