近日，精密測量院黃學(xué)人研究團隊在光鐘大地測量研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，團隊成員在小型化可搬運光鐘平臺上利用關(guān)聯(lián)譜技術(shù)實(shí)現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用中的顯著(zhù)優(yōu)勢。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國際知名期刊《應用物理評論》（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)現學(xué)科交叉的典范。根據愛(ài)因斯坦廣義相對論所預言的引力紅移效應，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著(zhù)1cm的高程變化，這意味著(zhù)利用高精度光鐘也可以進(jìn)行大地測量。隨著(zhù)光鐘精度的快速提高，光鐘大地測量應用也越來(lái)越被人們所關(guān)注。作為一種獨立的高精度大地測量方法，它有望成為統一全球高程基準的最有效手段之一，其廣泛應用對構建“數字地球”和研究全球環(huán)境變化及海洋地形分布等有著(zhù)重要的意義。

????小型化可搬運光鐘便是上述應用的核心工具。通常來(lái)說(shuō)，采用相干時(shí)間更長(cháng)的超窄線(xiàn)寬激光穩頻系統是提高測量精度的最常見(jiàn)手段，但其系統復雜性會(huì )犧牲可搬運光鐘的魯棒性和緊湊性。為適應大地測量中復雜多變的野外環(huán)境，研究團隊提出發(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(xiàn)寬激光穩頻系統的依賴(lài)，從而提高光鐘的移動(dòng)可靠性和靈活性。在探索解決如何提高兩套遠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(xiàn)實(shí)現跟蹤鎖定和頻差信息提取等一系列難題后，最終實(shí)現該新方案下的光鐘比對測量。在此基礎上，研究人員首次演示了基于普通的穩頻激光（線(xiàn)寬約200Hz）實(shí)現光鐘大地測量應用，其比對測量的穩定度達到6E-15/sqrt(tau)，這個(gè)結果比采用同性能激光的傳統光鐘比對方法提高了20倍，并優(yōu)于團隊之前采用1Hz超窄線(xiàn)寬的穩頻激光所獲得的6.8E-15/sqrt(tau)傳統比對穩定度。新的技術(shù)方案優(yōu)勢顯著(zhù)，對推動(dòng)光鐘大地測量早日走向實(shí)際應用意義重大。

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

(2)?利用線(xiàn)寬約200Hz（相干時(shí)間約2.6ms）的普通穩頻激光分別進(jìn)行傳統拉比譜線(xiàn)模式（探詢(xún)時(shí)間2ms）和關(guān)聯(lián)譜模式（探詢(xún)時(shí)間100ms）下的光鐘比對穩定度

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

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。

小型化可搬運光鐘的研究長(cháng)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(mén)長(cháng)期以來(lái)的大力支持。

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