主动光钟：原子自己发“声”，让时间测量更准 | 北京大学陈景标团队

发布时间：2026-05-23来源：爱光学

导读

时间，是我们生活中最熟悉却也最神秘的概念。你知道吗？国际单位制中七个基本单位，有四个都和时间单位“秒”紧密相连；而定义“秒”的核心设备——原子钟，正经历着一场从“被动”到“主动”的技术革命。

近日，北京大学电子学院陈景标教授与集成电路学院史田田助理研究员在《光学学报（网络版）》发表综述文章《原子钟研究进展及性能分析》，系统梳理了微波钟与光钟的研究现状，并重点介绍了新型主动光钟结合激光冷却技术的前沿进展。该技术有望从根本上解决被动光钟的“腔长热噪声”难题，为下一代高精度时间频率标准开辟新路径。

背景介绍

原子钟是一种利用量子能级跃迁原理产生稳定时间频率信号的高精密设备。从卫星导航定位到爱因斯坦广义相对论验证，从国际单位制定义到暗物质探测，原子钟已成为支撑现代科技发展的核心基础设施。

根据量子参考的跃迁频率不同，原子钟分为微波原子钟和光频原子钟（光钟）两大类。目前实现“秒”定义的铯喷泉微波钟，频率不确定度已达E-16量级；而光钟因其跃迁频率更高，理论上具有更优的性能，目前最先进的光晶格钟和离子光钟，系统不确定度已进入E-19量级。因此，国际时间频率咨询委员会已启动基于光钟重新定义“秒”的路线图。

然而，传统光钟正面临着原理性瓶颈——腔长热噪声。为探测mHz量级的超窄钟跃迁谱线，被动光钟需将本振激光锁定在超稳光学谐振腔上，而腔体材料的布朗热运动噪声，从根本上限制了光钟精度的进一步提升。

如何突破这一瓶颈？答案是：让原子自己“发声”，从被动变主动。

关键技术进展

1、主动光钟：从“听诊”到“歌唱”的原理革新

传统光钟属于“被动光钟”，需要外部超稳激光作为“探针”去探测原子跃迁信号，再将激光频率锁定在原子参考上。这一过程类似医生用听诊器听病人的心跳——听诊器（超稳腔）本身的噪声会干扰诊断结果。

而主动光钟则不同，它通过光学谐振腔的弱反馈，使原子在跃迁能级间形成集体受激辐射，直接输出高度相干的钟激光信号。就像让原子自己“唱出”标准音调，而不是用外部的“听诊器”去捕捉微弱的“心跳声”。

主动光钟的核心优势在于对腔牵引抑制效应的高度抑制。根据理论公式，主动光钟输出频率随腔模频率的变化率、与腔耗散率和原子衰减率的比值有关。当激光工作在“坏腔”区域（腔模线宽远大于原子增益线宽）时，频率主要取决于原子跃迁频率而非腔模频率，因此可从根本上抑制腔长热噪声的影响。

图1 被动光钟和主动光钟的工作原理图

2、四能级方案+激光冷却：破解功率与连续运行难题

自2005年北京大学首次提出主动光钟概念以来^[^1]，国际上已有11个国家23家科研机构投入研究，形成了二能级、三能级、四能级三大技术路线。然而，现有的冷原子主动光钟方案面临两大挑战，即输出功率低（仅pW量级）和脉冲型工作方式，难以满足实际应用对高可靠性的需求。本文提出的解决方案是——四能级主动光钟方案结合大尺寸漫反射激光冷却技术。

四能级方案：选用铯、铷等碱金属原子，钟跃迁能级具有较高的自发辐射速率，可显著提升受激辐射功率；同时钟激光与泵浦光能级相互独立，有效避免了泵浦光引起的光频移问题。
漫反射激光冷却：利用大尺寸漫反射光场冷却原子，增加有效原子数，进一步提高输出功率，同时有望实现连续冷却与泵浦，突破脉冲工作方式的限制。
极低精细度反共振FP腔：首次提出反共振激光理论，填补了激光物理领域关于低精细度、反共振腔的理论空白，将腔牵引抑制优势发挥到极致。

2024年，北京大学已在铷原子体系中成功制备了用于四能级主动光钟的冷却蓝光，为连续型冷原子主动光钟的实现奠定了关键实验基础^[^2]。

图2 三类主动光钟技术基本结构

3、技术对比：新方案优势显著

总结与展望

本文系统综述了原子钟领域的研究进展，重点介绍了新型主动光钟结合漫反射激光冷却技术的前沿突破。该方案通过极低精细度反共振FP腔和四能级冷原子体系，从原理上解决了传统光钟的腔长热噪声问题，同时实现了连续输出和功率提升，在性能与可靠性之间取得了突破性平衡。

展望未来，这一技术有望广泛应用于空间站科学实验、国际单位制“秒”的重新定义、北斗卫星导航系统、暗物质探测等国家重大需求领域。基于主动光钟技术的窄线宽激光，将成为我国在前沿物理与精密测量领域取得重大突破的关键技术支撑。

参考文献：

[1] Chen Jingbiao. Active optical clock[J]. Chinese Science Bulletin, 2009, 54(3): 348-352.

[2] Zhang Jia, Guan Xiaolei, Gao Xun, et al. Power-stabilized 3-W blue laser locked to the 420-nm transition in rubidium[J]. Physical Review Applied, 2024, 22(3): 034045.

第一作者简介

史田田，博士，北京大学集成电路学院助理研究员，获国家高层次计划项目、博士后创新人才支持计划支持，入选2025年中国仪器仪表学会青年科技人才培育计划。主要研究方向：高稳频半导体激光、新型原子钟。曾获得多项奖励（前三完成人）：教育部科学研究优秀成果奖一等奖（2/13）、北京市科学技术进步二等奖(2/10)、中国计量测试学会一等奖(3/10)、中国仪器仪表学会技术发明二等奖(2/6)、2025全国颠覆性技术创新大赛优秀奖（1/5）、第50届日内瓦国际发明展金奖（2/13）、中国发明协会发明创新创业奖一等奖（2/9）。（详情点击查看）

陈景标，博士，北京大学博雅特聘教授，北京大学量子电子学研究所副所长，北京大学产学研项目合作先进个人。主要研究方向包括国际量子精密测量、高精度原子钟、稳频半导体激光器等领域，在量子精密测量专用法拉第激光器领域拥有专利数量全球排名第一，并国际首创主动光频原子钟的原理与方法。以第一完成人身份获2025年教育部科学研究优秀成果奖工程技术研究成果奖一等奖、2025年GF科学技术进步一等奖、中国计量测试学会科学技术进步奖一等奖、北京市科学技术奖技术发明二等奖、中国仪器仪表学会技术发明二等奖、第28届全国发明展览会金奖、第50届日内瓦国际发明展金奖等。（点击查看详情）