近日，精密測量院黃學(xué)人研究團(tuán)隊(duì)在光鐘大地測量研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)成員在小型化可搬運(yùn)光鐘平臺上利用關(guān)聯(lián)譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)超越激光相干性限制的光鐘比對測量，證實(shí)了該方案在光鐘大地測量應(yīng)用中的顯著優(yōu)勢。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國際知名期刊《應(yīng)用物理評論》（Physical Review Applied）上。

光鐘大地測量是原子與分子物理和大地測量實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉的典范。根據(jù)愛因斯坦廣義相對論所預(yù)言的引力紅移效應(yīng)，工作在地球表面附近的原子鐘，其1.1E-18大小的相對頻率變化對應(yīng)著1cm的高程變化，這意味著利用高精度光鐘也可以進(jìn)行大地測量。隨著光鐘精度的快速提高，光鐘大地測量應(yīng)用也越來越被人們所關(guān)注。作為一種獨(dú)立的高精度大地測量方法，它有望成為統(tǒng)一全球高程基準(zhǔn)的最有效手段之一，其廣泛應(yīng)用對構(gòu)建“數(shù)字地球”和研究全球環(huán)境變化及海洋地形分布等有著重要的意義。

小型化可搬運(yùn)光鐘便是上述應(yīng)用的核心工具。通常來說，采用相干時間更長的超窄線寬激光穩(wěn)頻系統(tǒng)是提高測量精度的最常見手段，但其系統(tǒng)復(fù)雜性會犧牲可搬運(yùn)光鐘的魯棒性和緊湊性。為適應(yīng)大地測量中復(fù)雜多變的野外環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)提出發(fā)展一種基于關(guān)聯(lián)譜的光鐘比對技術(shù)，以降低對高性能超窄線寬激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的依賴，從而提高光鐘的移動可靠性和靈活性。在探索解決如何提高兩套遠(yuǎn)距離的單離子量子體系之間的相干性，以及如何對關(guān)聯(lián)譜線實(shí)現(xiàn)跟蹤鎖定和頻差信息提取等一系列難題后，最終實(shí)現(xiàn)該新方案下的光鐘比對測量。在此基礎(chǔ)上，研究人員首次演示了基于普通的穩(wěn)頻激光（線寬約200Hz）實(shí)現(xiàn)光鐘大地測量應(yīng)用，其比對測量的穩(wěn)定度達(dá)到6E-15/sqrt(tau)，這個結(jié)果比采用同性能激光的傳統(tǒng)光鐘比對方法提高了20倍，并優(yōu)于團(tuán)隊(duì)之前采用1Hz超窄線寬的穩(wěn)頻激光所獲得的6.8E-15/sqrt(tau)傳統(tǒng)比對穩(wěn)定度。新的技術(shù)方案優(yōu)勢顯著，對推動光鐘大地測量早日走向?qū)嶋H應(yīng)用意義重大。

(1)?基于小型化可搬運(yùn)光鐘的實(shí)驗(yàn)方案，其中兩套獨(dú)立的鈣離子系統(tǒng)分別處于不同的海拔高度

(2)?利用線寬約200Hz（相干時間約2.6ms）的普通穩(wěn)頻激光分別進(jìn)行傳統(tǒng)拉比譜線模式（探詢時間2ms）和關(guān)聯(lián)譜模式（探詢時間100ms）下的光鐘比對穩(wěn)定度

(3)?利用關(guān)聯(lián)譜方法演示光鐘大地測量應(yīng)用，其高程差結(jié)果與傳統(tǒng)方法高度吻合

該研究成果近日以“Demonstration of chronometric leveling using transportable optical clocks beyond laser coherence limit”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《應(yīng)用物理評論》上。袁易和崔凱楓為共同第一作者，曹健和黃學(xué)人為共同通訊作者。

小型化可搬運(yùn)光鐘的研究長期得到科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院等部門長期以來的大力支持。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.21.044052