近期北京大學(xué)陳景標(biāo)教授團(tuán)隊(duì)，于國(guó)際首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于原子選頻技術(shù)的佛克脫光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了小型化光頻標(biāo)的全自動(dòng)化高性能運(yùn)行。該研究突破原子濾光器在光通信領(lǐng)域的低光強(qiáng)應(yīng)用限制，提出基于原子選頻技術(shù)的佛克脫激光（Voigt laser），利用其自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)原子譜線(xiàn)的特性，結(jié)合全自動(dòng)化調(diào)制轉(zhuǎn)移譜（MTS）頻率鎖定方案，共同構(gòu)筑了在惡劣環(huán)境下的具有高魯棒性、可自動(dòng)運(yùn)行的高性能光鐘。展示了原子選頻激光器在小型化、無(wú)人化開(kāi)發(fā)中的巨大潛能，為便攜式原子鐘設(shè)備在科研、軍民兩用的應(yīng)用提供了新途徑。相關(guān)研究成果以“Turn-key Voigtopticalfrequency standard”為題發(fā)表于Photonics Research 2025年第4期，被遴選為封面文章。

圖1 Photonics Research2025年第4期On the Cover

圖2 文章截圖

在精密時(shí)間頻率領(lǐng)域，如何突破高性能光鐘系統(tǒng)復(fù)雜、難以搬運(yùn)、制造成本高的局限，實(shí)現(xiàn)在野外、移動(dòng)平臺(tái)等復(fù)雜外場(chǎng)條件下維持高精度連續(xù)運(yùn)行，極具前沿研究?jī)r(jià)值。本工作聚焦佛克脫原子濾光器（Voigt anomalous dispersive optical filter, VADOF）在大光強(qiáng)、強(qiáng)磁場(chǎng)條件下的透射譜研究，揭示其獨(dú)特物理機(jī)制，賦予佛克脫激光器頻率“自對(duì)準(zhǔn)”能力——自動(dòng)鎖定在銣-85

原子D2線(xiàn)躍遷譜線(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合MTS穩(wěn)頻技術(shù)，成功研制小型佛克脫光頻標(biāo)。不僅實(shí)現(xiàn)了國(guó)際領(lǐng)先的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度（萬(wàn)秒穩(wěn)定度達(dá)中系數(shù)10-13量級(jí)），且將VADOF“自對(duì)準(zhǔn)”特性轉(zhuǎn)化為光頻標(biāo)“即開(kāi)即用”功能。該突破可解決現(xiàn)有光鐘的痛點(diǎn)：高度依賴(lài)高性能本地振蕩器，在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行或劇烈環(huán)境沖擊（如振動(dòng)、溫度驟變）下，頻率穩(wěn)定性顯著下降，必須依賴(lài)人工干預(yù)進(jìn)行重新鎖定和維護(hù)，導(dǎo)致自動(dòng)化運(yùn)行中斷。佛克脫光頻標(biāo)可從根本克服了該限制，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全自動(dòng)化、無(wú)人值守運(yùn)行。

圖3 佛克脫激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（左）和頻率特性（右）

圖4 佛克脫光頻標(biāo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（左）和頻率穩(wěn)定度指標(biāo)（右）

該工作充分展現(xiàn)了基于原子選頻（如VADOF）的激光器在小型化、高集成度、無(wú)人化光頻標(biāo)開(kāi)發(fā)中的巨大潛力與優(yōu)勢(shì)，為開(kāi)發(fā)新一代高性能便攜式原子鐘開(kāi)辟了一條切實(shí)可行的新路徑，極大地拓展了其在前沿科學(xué)研究、國(guó)防安全、航空航天、地質(zhì)勘探、通信導(dǎo)航等軍民融合領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，標(biāo)志著光鐘技術(shù)向?qū)嵱没?、普及化邁出了關(guān)鍵一步。

該研究在北京大學(xué)電子學(xué)院陳景標(biāo)教授和黨安紅教授、集成電路學(xué)院史田田助理研究員的指導(dǎo)下順利完成，論文第一作者為電子學(xué)院博士生劉子捷，其他作者包括北京大學(xué)博士生王志洋、秦曉敏、關(guān)笑蕾、史航博、魏蘇陽(yáng)、張佳、肖正，聯(lián)合計(jì)量科學(xué)研究院曹士英研究員共同完成。此外，研究工作還得到了科技創(chuàng)新2030-“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、溫州重大科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目的資助與支持。