用于互组跃迁谱测量的窄线宽激光系统

采用Pound-Drerer-Hall稳频技术将689 nm激光锁定在高精细度超稳极低膨胀系数材料腔上,实现用于探测锶原子互组跃迁谱的窄线宽激光.利用光腔衰荡光谱技术,测量了不同阶次多横模情况下腔的精细度,并在理论上分析了平凹型Fabry-Perot腔的损耗与多横模阶次的关系.考虑了光开关延时及探测器响应时间在测量中的影响,对腔衰荡时间的实验测量值进行了修正.利用光纤飞秒光频梳测量了激光器的频率漂移,测出窄线宽激光频率稳定度的秒稳优于2.8×10-13.利用窄线宽激光在锶原子束上观测到具有高信噪比的窄线宽原子跃迁谱线,实验测得谱线的线宽为55 kHz,该窄线宽原子谱线可应用于锶原子二级冷却激光绝对频率的精确测量及锶原子互组跃迁谱的四种同位素位移测量.     

锶原子互组跃迁荧光探测系统的研制

锶原子单态和三重态间的互组跃迁(5s2)1S0-(5s5p)3P1辐射率远小于一般的电偶极跃迁,共振跃迁荧光信号微弱。介绍了一种应用于探测该互组跃迁荧光谱的直流偏置探测器。该探测器选用极低输入偏置电流运算放大器作为前置放大,具有信噪比高、增益高、偏置可调等优点。此探测器探测增益为106 V/W量级,-3dB带宽为1MHz。实验中利用该探测器对锶原子互组跃迁(5s2)1S0-(5s5p)3P1微弱共振荧光进行探测,获得信噪比很好的共振荧光谱,且无直流偏置,并由此获得高信噪比的鉴频曲线。应用该探测器观测到了饱和荧光谱线以及对应的鉴频曲线,可用于689nm激光锁频,应用于锶光钟系统。     

锶原子二级Doppler冷却及温度的测量

为了减小锶原子跃迁谱线的多普勒增宽及频移,需要对锶原子进行激光冷却以降低它的速度,而一级冷却只能将原子温度降低至mK量级,这样的原子其速度过大而无法有效地装载至光晶格中,因此必须进行二级冷却.锶原子存在单重态与三重态(5s2)1S0-(5s5p)3P1间互组跃迁,利用与其跃迁波长在689 nm的窄线宽激光对锶原子进一步冷却,可将锶原子团温度降低至μK量级.利用时序有效、准确地控制磁场和光场与原子相互作用时间,通过飞行时间法对锶冷原子温度进行了测算.实验中应用计算机精确控制磁光阱区域中冷原子团下落时间,EMCCD记录冷原子团初始时刻和下落20 ms后的状态.经过分析计算二级冷却温度为4.39 μK,不确定度仅为0.19 μK,二级冷原子团数目约为1.2×10 7.低温二级冷却锶原子温度及原子数目的获得为锶光钟跃迁信号的信噪比估计提供实验参考,也是实现高精度时间频率标准的前提.     

利用Doppler测速法实现小发散角锶原子速度分布的测量

锶光钟小型化系统中,利用Doppler测速法对小发散角锶原子的速度分布进行了测量。从锶炉喷出原子束的最可几速率为440 m/s,经过永磁体塞曼减速器减速后原子的速度最低可降低至80 m/s。验证了在原子行进过程中设置的减速磁场即永磁体塞曼减速器,能够对原子进行有效减速,进而提高俘获冷原子的数目。实验中采用的Doppler测速法装置简单,易于操作,可直接探测原子束的速度分布曲线。     

锶热原子束二维准直的动力学过程的蒙特卡罗模拟及实验研究

在考虑随机因素的情况下, 应用蒙特卡罗方法在理论上详细研究了锶原子束二维激光准直的动力学过程. 综合考虑原子横向发散角、初始原子位置、纵向速度分布、同位素等因素, 获得了激光二维准直后的原子横向空间分布的模拟结果以及随准直光失谐、光功率等参量因素的变化. 通过与实验数据比较, 理论值和实验值很好相符, 显示蒙特卡罗方法可以精确地描述锶原子束二维准直的动力学过程. 为原子束激光二维准直的精确控制, 高精度原子钟系统的优化, 提供了一种理论分析方法. 关键词： 二维准直 蒙特卡罗方法 横向空间分布     

锶原子三重态谱线的观测及在光钟中的应用

实验中通过互组跃迁689 nm激光抽运形成三重态最低能态原子布居,引入688 nm激光改变三重态最低能态间的原子布居,利用抽运光与探测光空间分离的方法观测碱土金属锶原子的三重态能态间跃迁(5s6s)³S₁ → (5s5p)³P_j(j=0,1,2)的吸收谱线,对应三条跃迁线的激光波段为679 nm, 688 nm和707 nm.探测三重态原子跃迁谱线可以用于锶原子冷却中再抽运光707 nm和679 nm激光频率的直接锁定,相比于通常利用的腔传递技术,可以把再抽运光频率锁定在原子跃迁谱线上,有利于提高锶原子冷却中俘获原子数目的长期稳定性.     

利用激光感生荧光直接显示原子能级超精细结构的新方法

本文详细讨论了一种在空间直接显示原子的超精细结构的方法,并观察到Na原子3~2P_(1/2)态的两个超精细能级结构。发散的片状原子束和发散的片状激光束在空间相互作用,当多普勒频移等于原子跃迁频率和激光器频率之差时,原子被激发并在空间发光。计算和实验都已证实发光轨迹是一圆弧。荧光带的数目表明起精细能级的数目,根据空间位置可定出能级间隔,荧光带的宽度反映原子束的速度分布,实验研究了钠原子的3~2S_(1/2)—3~2P_(1/2)的荧光轨迹,照片显示了两个清楚分开的荧光带,带的间距和计算结果相符。     

利用塞曼减速法实现锶同位素的磁光阱俘获

利用塞曼减速法在磁光阱(MOT)中实现锶原子一级冷却,使用塞曼减速器对进入阱区前的热原子束进行减速,实验时该减速器线圈通入10.2 A电流,阱区反亥姆霍兹线圈通入10 A电流时,中心区域线性磁场梯度为4 mT/cm,用于冷却和俘获的激光波长为461 nm,其对应于锶原子(5s~2)~1S_0→(5s5p)~1P_1的能级跃迁。通过实验获得了锶4种同位素的冷原子团、探测到相应的冷原子荧光光谱,并且测定其中~(88)Sr,~(87)Sr和~(86)Sr的冷原子数目分别为1.759×10~6,1.759×10~5和2.638×10~5。     

应用于光抽运铯原子钟的小型稳频激光器（英文）

设计了一种应用于光抽运铯原子钟的稳频激光器,用小型化的饱和吸收装置对激光进行稳频,用于产生饱和吸收谱的泵浦光的偏振方向与检测光的偏振方向相互垂直,通过调节激光的偏振方向增大铯原子的跃迁几率.相对于一般简化的饱和吸收装置,小型化的饱和吸收装置产生的用于锁频的参考信号的幅度更大.当激光频率被锁定在铯原子的6S_(1/2),F=4→6P_(3/2),F=5能级跃迁线上时,对激光器的稳定度进行了测量,百秒稳定度为1.88×10~(-11).该稳频激光器的体积较小,有利于光抽运铯原子钟的小型化和工程化应用.     

锶原子光钟中repumping光频率锁定系统的研制

锶原子光钟里两束repumping光的频率对应锶原子三重态系跃迁(5s5p)3P0-(5s6s)3S1和(5s5p)3P2-(5s6s)3S1,由于其跃迁基态处于亚稳态,所以较难利用原子的跃迁线作为参考对这两台激光器进行锁频.本文介绍一种基于腔传递的数字伺服系统实现这两台半导体激光器任意频率的同时锁定.通过一台F-P腔将He-Ne激光器的频率高稳定性同时传递到两台受控激光器上.LabVIEW程序自动搜索激光透射峰信号从而得到误差信号,由比例积分算法得出控制电压,并反馈回激光器.可视化界面易于操作和观察,可直接完成对激光器的锁定,并自动记录实验结果.该方法使用方便,锁定后激光器频率波动为±4 MHz左右.该系统易扩展,可实现多台激光器的同时锁定.将锁定后的repumping光加入蓝MOT后,磁光阱内俘获的原子荧光强度增大了12倍,寿命提高了13倍,对于锶原子光钟一级冷却的研制有重要的应用价值.     

量子模型分析激光驻波原子透镜的像差

采用量子模型对近共振激光驻波原子透镜会聚Cr原子束、形成纳米量级光栅结构的物理过程进行数值模拟。为提高原子透镜的成像质量,对各种像差,如衍射像差、球差、色差、及原子束发散角、原子磁支能级、原子同位素等因素引起的像差进行了理论分析。模拟结果表明,相比粒子光学模型,量子模型能更加精确地描述原子会聚结果,且能解释原子在驻波光场中的衍射现象。在各种像差中,原子束发散角是最主要的因素,其影响大于衍射像差、球差、色差。原子的磁支能级、同位素等因素对像差影响很小,可以忽略不计。激光冷却准直原子束的方法可以减小束发散角引起的像差,压缩原子速度Vz分布范围的方法可以减小色差。     

可移动型锶原子光钟的系统研制与钟跃迁谱线探测

主要介绍了可移动锶原子光晶格钟的系统研制和钟跃迁谱线探测。光钟系统采用尺寸为120 cm×50 cm×60 cm的小型化物理系统,通过光纤将模块化的子光路系统与物理系统连接。经过一级461 nm激光和二级689 nm激光冷却后,得到原子数目为1.02×10~6、原子温度为5.45μK的冷原子团。利用具有"魔术波长"的晶格光实现~(87)Sr的一维光晶格装载,晶格寿命为434 ms,晶格中原子温度为4.63μK。在具有超窄线宽的698 nm钟激光探测下,得到边带可分辨的钟跃迁谱、窄线宽简并谱、自旋极化谱及拉比振荡曲线。经钟激光探询后,得到的自旋极化谱的谱线线宽为11.79 Hz,接近傅里叶探测极限的理论值,为可移动光钟的闭环工作提供了频率参考。     

锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测

87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对~(87)Sr原子钟跃迁能级5s~2~1S_0→5s5p~3P_0中的m_F=+9/2和m_F=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9μK,原子数目为3.5×10~6.利用邻近"魔术波长"的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对~1S_0→~3P_0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.     

锶原子光晶格钟

进入21世纪以来,锶原子光晶格钟经历了快速的发展,系统频移的不确定度指标已经超越现有的秒定义基准铯原子喷泉钟,进入到10~(-18)量级,体现了人类精密测量能力的最高水平,是精密测量物理的热点研究内容.本综述简要介绍了锶原子光晶格钟的发展水平;详细介绍了锶原子光晶格钟的各个组成部分和关键技术、如何进行精密光谱探测和闭环锁定以及各项系统频移的不确定度评估方法和锶原子跃迁绝对频率测量的方法等;最后简要介绍了锶光钟的应用和未来发展趋势.     

基于电磁诱导透明效应的无调制里德堡跃迁激光锁频

我们实验上展示了利用室温Rb原子蒸汽池中的电磁诱导透明光谱实现里德堡跃迁激光无调制频率锁定方法。在Rb原子5S_(1/2),5P_(3/2),10D_(3/2)组成的级联三能级系统中,耦合激光工作于原子从中间态5P_(3/2)和里德堡态10D_(3/2)跃迁,探测激光工作于耦合基态5S_(1/2)到中间态5P_(3/2)的跃迁。通过扫描耦合光的频率并测量探测光的光强变化实现EIT信号的监测。我们对探测光进行频率调制,通过解调EIT光谱获得误差信号,并将误差信号经由PID控制电路反馈至激光器进而实现耦合激光频率的锁定。利用这种方法实现了耦合激光的无调制锁频,激光锁定后的残余频率起伏约为1 MHz。这种锁定方法对实现里德堡态原子的高效制备具有重要意义。     

沟道效应作用下中性原子在激光驻波场中的沉积特性研究

基于半经典理论,建立了中性原子与激光驻波场相互作用的模型,分析了中性原子在激光驻波场沟道效应作用下运动轨迹及沉积特性,探讨了球差、色差和原子束发散角对沉积条纹的影响. 得到了上述三种影响因素下纳米光栅的半高宽分别为0.532,12.16,96.70 nm. 仿真结果表明,随着原子束发散角度的增加,沉积条纹的对比度将会下降,当原子束发散角分别为0.1 mard时,其对比度为85.2：1,发散角为0.3 mrad时,条纹对比度为5.33：1,而当发散角增加至0.5 mrad以上时,沉积条纹将会出现分裂现象,导致条纹的恶化. 关键词： 激光驻波场 纳米光栅 沟道效应     

铬原子束横向一维激光冷却的蒙特卡罗方法仿真

激光汇聚铬原子沉积实验中,铬原子束准直度的好坏非常重要.利用蒙特卡罗随机思想选取原子轨迹初始条件,将⁵²Cr原子以外的其他同位素、纵向速度分布和横向发散角等因素综合考虑,对铬原子束横向一维激光冷却进行了优化分析.经过与均匀取值法比较,这种方法能够更好地体现原子运动的不确定性,挑选出不参与冷却过程的同位素,使考察界面内原子束的横向位置分布更好的符合实验结果.结果显示,冷却过程中其他同位素的存在使原子束横向位置分布的中心最大值减小9.3%,半高宽增加11%,并且增加轮廓曲线的基底. 关键词： 激光冷却 蒙特卡罗方法 铬原子束     

稳定的高亮度低速亚稳态氦原子束流

稳定的高强度原子束流源是很多精密测量实验的关键.亚稳态(2~3S)氦原子的精密光谱测量在检验量子电动力学、测定精细结构常数研究中受到重要关注.本文利用激光冷却方法增强束流强度、通过塞曼减速器降低原子的纵向速度,并利用反馈控制稳定束流强度.实验测得,所产生的亚稳态氦原子连续束流在(100±3.6)m/s速度下,强度达5.8×10~(12)atoms/(s·sr),相对稳定度为0.021%.利用该原子束,示范了在仅0.1%的饱和光强条件下进行4 He原子2~3S—2~3 P跃迁的光谱探测,此时由探测光功率带来的频移低于1 kHz.     

用于原子干涉测量的Raman光系统设计与实验

研究了基于光学锁相环技术的Raman光系统,系统包含参考光、主激光和从激光三束激光,其中参考光采用调制转移光谱稳频后用做频率基准,主激光相对于参考光频差1 GHz实现相对于激发态远红失谐以避免激光与原子的直接作用,从激光相对于主激光频差6.8 GHz用于激发87Rb原子基态超精细能级之间的跃迁,采用两套光学锁相环分别实现主、从激光的锁频锁相。测量结果表明,两套光学锁相环的相位噪声在100 Hz～1 MHz频段分别低于-70 dBc/Hz和-65 dBc/Hz,因此相位噪声对单次原子干涉重力测量的影响为5.3×10~(-7)。采用两台锥形放大器分别对主、从激光进行功率放大以保证主、从激光功率比严格为1∶2,采用光纤传输与空间光传输相结合的设计实现主、从激光的合束、偏振统一及频率调制,最终获得的Raman光总功率为180 mW。持续功率测量结果显示,在没有额外增加功率稳定元件的条件下Raman光的总功率最大起伏小于5%,满足原子干涉测量实验需求。     

高通量冷原子束流的实现与测量

我们在实验上基于铯原子的2D+磁光阱获得了通量为8.5×1010原子/s、平均速度与速度分布分别为16 m/s与4 m/s、空间发散角为25 mrad的冷原子束流,通过相敏的飞行时间法对原子束流的通量进行了准确测量,并对背景原子气压、推送光功率以及冷却光失谐等参量对原子束流的影响进行了实验研究与分析.