光鐘大地測量是原子與分子物理和大地測量實現學科交叉的典范。根據愛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1cm的高程變化，這意味著利用高精度光鐘也可以進行大地測量。隨著光鐘精度的快速提高，光鐘大地測量應用也越來越被人們所關注。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”和研究全球環境變化及海洋地形分布等有著重要的意義。
 

　　小型化可搬運光鐘便是上述應用的核心工具。通常來說，采用相干時間更長的超窄線寬激光穩頻系統是提高測量精度的最常見手段，但其系統復雜性會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境，研究團隊提出發展一種基于關聯譜的光鐘比對技術，以降低對高性能超窄線寬激光穩頻系統的依賴，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距離的單離子量子體系之間的相干性，以及如何對關聯譜線實現跟蹤鎖定和頻差信息提取等一系列難題后，最終實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(線寬約200Hz)實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，并優于團隊之前采用1Hz超窄線寬的穩頻激光所獲得的6.8E-15/sqrt(tau)傳統比對穩定度。新的技術方案優勢顯著，對推動光鐘大地測量早日走向實際應用意義重大。
 

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

　　(2)?利用線寬約200Hz(相干時間約2.6ms)的普通穩頻激光分別進行傳統拉比譜線模式(探詢時間2ms)和關聯譜模式(探詢時間100ms)下的光鐘比對穩定度
 

　　(3)?利用關聯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”為題發表在國際學術期刊《應用物理評論》上。袁易和崔凱楓為共同第一作者，曹健和黃學人為共同通訊作者。
 

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