时间频率基准装置的研制现状

时间频率基准装置——铯原子喷泉钟, 在标准时间产生和保持、基础物理研究中发挥了重要的作用. 介绍了铯原子喷泉钟的工作原理, 对影响其性能的各项噪声源和频移项给出了分析, 影响频率稳定度性能的主要因素为Dick 效应相关的原子团装载时间、微波激励源相位噪声和探测激光的频率噪声, 影响频率不确定性能主要频移项为: 黑体辐射频移、冷原子碰撞频移、腔相位分布频移和微波泄露频移; 总结和比较了当前具有先进性能的铯原子喷泉钟采用的技术; 介绍了铯原子喷泉钟的主要应用方向、空间冷原子铯钟的研制情况和光学频率原子钟进展.     

中国计量科学研究院实现74cm高的冷原子喷泉

用磁光阱和光学粘胶方法制备超冷原子样品 ,把原子冷却到绝对零度附近 (～ 10 - 6 K) ,随后赋予其一定的向上运动速度 (例如几米 /秒 ) ,让原子只在重力场作用下作弹道运动飞行 ,便形成冷原子喷泉———原子上升到一最高点然后散落下来 .这种原子喷泉首先在改进原子钟性能上获得重要应用 :在原子弹道飞行的路径上设置微波谐振腔 ,应用冷原子与微波辐射场相互作用产生的谐振信号 ,将使原子钟的准确度至少提高一个数量级 .1995年以来 ,法国、美国和德国相继研制成功铯原子喷泉钟 ,现在达到的频率不确定度约为 2× 10 - 15,相当于走时两千万年…     

用于铯原子内态操控的双光子拉曼激光的产生及应用

双光子拉曼过程是一种有效制备和控制原子内态的方法, 在原子内态操控和基于原子的量子信息处理中具有重要意义. 研制用于特定原子的拉曼激光是实现该过程的重要一步. 报道了利用光纤波导相位调制器及滤波器等实现用于铯原子内态操控的拉曼激光的方法, 并成功用于单个铯原子的内态精密操控. 通过4.6 GHz的微波信号源直接驱动波导相位调制器高效地获得光场的调制边带, 并利用自由光谱区为9.19 GHz的法布里-珀罗腔将载波及二阶边带滤掉, 获得了频率精确、相差9.19 GHz的拉曼激光. 经过基于光纤振幅调制器的功率稳定系统, 最终可以获得总功率为73 μupW、长时间内波动为2.2%的拉曼激光束, 并将此光束用于激发单个铯原子, 实现了|6S_1/2, F=4, mF=0和|6S_1/2, F=3, mF=0 之间的可控拉比操作.     

原子喷泉频标:原理与发展

介绍了喷泉频标的原理与发展.喷泉频标是一项近20年来发展起来的原子钟技术,它以激光冷却技术为基础,利用该技术实现了冷原子介质的俘获与上抛.冷原子介质在上抛下落过程中首先完成原子态制备,然后两次通过微波谐振腔实现Ramsey作用,在两次作用之间原子经历自由演化,最后原子经过探测区,通过双能级荧光探测法探测原子跃迁概率得到鉴频的Ramsey干涉条纹,并实现频率锁定,其中心条纹的线宽在1Hz左右.频率稳定度和频率不确定度是喷泉频标的两个重要指标.影响喷泉钟频率稳定度的因素主要有量子投影噪声和电子学噪声,目前喷泉钟的短期稳定度为(10~(-13)—10~(-14))τ~(-1/2),长期稳定度在(10~(-16)—10~(-17))量级.喷泉频标的频率不确定度主要受二阶塞曼频移、黑体辐射频移、冷原子碰撞频移以及与微波相关的频移等的影响.目前喷泉钟的不确定度在小的10~(-16)量级.作为基准频标,喷泉钟的工作介质主要是~(133)Cs,~(87)Rb.国际各大计量机构都研制了喷泉频标,它在各地协调世界时的建立、国际原子时的校准等方面发挥着越来越重要的作用.此外,喷泉频标还用于研究高精度时频基准和时间比对链路、验证基本物理理论等.     

隧穿四能级结构中超冷铯分子转换的最优化光场条件

本文利用一个具有隧穿耦合效应的四能级结构模型来描述超冷铯原子制备超冷铯分子的过程,理论分析了受激拉曼绝热通道过程中的两激光脉冲参数对铯原子-分子转换效率的影响。结果表明,在原子-分子暗态条件下,通过双色光缔合利用双光子共振条件的最优化处理方法可以使转换效率提高到90%以上,并给出了两激光脉冲参数的最优化区间。另外,通过分析原子态和束缚分子基态上粒子数布居的动力学演化,给出了光场的最优化条件,只有适当的匹配两激光场的有效Rabi频率、延迟系数和脉冲宽度时,才能高效地实现超冷铯原子-分子的相干布居转换。     

非简并拉曼过程中交流斯塔克位移对腔场谱的影响

研究了原子与双模光场非简并拉曼耦合过程中交流斯塔克位移对腔场谱的影响.给出了原子处于基态且双模初始场为光子数态、相干态和压缩真空态时光谱结构的数值结果.发现数态光场在弱场条件下每模腔场谱都是三峰结构，在强场条件下则为双峰或单峰结构，相干态和压缩真空态光场的腔场谱在弱场或强场条件下都是双峰结构.随着斯塔克位移参数的变化,双峰的高度此长彼消. 关键词： 交流斯塔克位移 非简并拉曼过程 腔场谱     

894nm高温垂直腔面发射激光器及其芯片级铯原子钟系统的应用

报道了自行研制的894 nm高温垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果.根据芯片级铯原子钟对VCSEL在特定高温环境下产生894.6 nm线偏振激光的要求,对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化,确定增益-腔模失谐量为-15 nm,使器件的基本性能在高温环境下保持稳定.研制的VCSEL器件指标为:20—90?C温度范围内阈值电流保持在0.20—0.23 m A,0.5 m A工作电流下输出功率0.1 mW;85.6?C温度环境下激光波长894.6 nm,偏振选择比59.8:1;采用所研制的VCSEL与铯原子作用,获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线.     

基于原位探测的空间冷原子钟的性能分析

在空间微重力环境下,应用激光冷却技术的空间冷原子钟有望获得更高精度的时间频率基准。提出了一种基于原位探测的新型空间冷原子钟方案,在开展冷原子俘获、冷却、选态、两次微波探寻与量子态探测等过程中,冷原子都保持在微波腔中,这种设计可以使单个原子钟的周期更短,微波探寻过程有更大的时间占空比,也能使原子钟的整体结构更加紧凑。在使用Boitier a Vieillissement Ameliore (BVA)晶振作为本振的条件下,从Dick效应与量子投影噪声两方面对原子钟的稳定度进行分析预估,然后分析了影响冷原子钟不确定的来源与估值,结果表明:基于原位探测的空间冷原子钟有望达到5.9×10~(-14)τ~(-1/2)的稳定度以及1×10~(-16)的不确定度,该结果优于当前使用BVA晶振作为本振的其他冷原子微波钟的性能。     

非等同两原子与双模叠加态腔场的拉曼相互作用

研究了处于双模腔中的两个非等同二能级原子与叠加态光场的拉曼相互作用,推导出了两模光场均处于光子数态和任意叠加态时腔场谱的计算公式,给出了两模初始场为相干态和压缩真空态时谱结构的数值结果,讨论了相对耦合常数R=g2/g1和初始场强对腔场谱的影响.发现腔场谱结构不仅与初始场强有关,还随初始场光子数分布的变化而改变.     

劣腔内二能级原子的双光子共振荧光光谱

研究了劣腔内二能级原子与单模腔场的双光子相互作用，腔内原子受外加固相干光场驱动，并向一般真空态自发辐射，通过腔镜内腔内注入压缩真空态光场，使腔模向压缩真空态光场衰减，本文利用劣腔近似条件得到原子约化密度算符主方程，在此基础上讨论了二能级原子的双光子共振荧光光谱。     

Magnetic field measurement based on a stimulated two-photon Raman transition

The magnetic field in the microwave interaction zone of the fountain atomic clock was measured by stimulated Raman transitions.By measuring the two-photon transition frequency between the Zeeman levels of the two ground states,we achieved a magnetic field measurement accuracy of the order of 0.28 nT.This method is immune to the Doppler shift and the AC Stark shift.The second order Zeeman shift of the fountain clock is 170.7×10-15,with the uncertainty of 7.2×10-16.     

微波驱动双模四能级单原子中连续变量纠缠的制备

通过两个经典微波场驱动相应的原子精细跃迁诱导产生原子相干, 研究在双模单原子激光器中连续变量量子纠缠的制备和演化. 研究结果表明: 微波场强度可以有效地控制腔场纠缠特性; 通过调节相应的频率失谐, 能够同步增加腔场总的平均光子数、腔模间的纠缠时间和强度. 关键词： 四能级单原子 原子相干 连续变量纠缠     

Ultra-Slow Atomic Beam Generation by Velocity Selective Resonance

We describe a method to generate an ultra-slow atomic beam by velocity selective resonance （VSR）. A VSR experiment on a metastable helium beam in a magnetic field is presented and the results show that the transverse velocity of the deflected beam can be cooled and precisely controlled to less than the recoil velocity, depending on the magnitude of the magnetic field. We extend this idea to a cold atomic cloud to produce an ultra-slow 87Rb beam that can be used as a source of an atomic fountain clock or a space clock.     

开槽管微波腔中微波场分布初步研究

开槽管微波腔已被用于铷原子频标,但是其中的微波场分布尚不清楚. 利用高频结构仿真软件(HFSS)获得了开槽管微波腔内微波场的分布,利用激光-微波双共振方法实现了微波腔场分布的实验测量,所得结果与理论结果一致. 研究结果表明,腔内微波场磁力线呈轴向分布,这表明该种微波腔是适用于原子频标的. 研究结果还表明,腔内微波场存在明显的空间不均匀性,这会导致一些区域的原子不能充分利用,限制原子的钟跃迁信号强度. 因此,现有的开槽管腔结构还有改进的余地.     

Measurement of the hydrogen 1S- 2S transition frequency by phase coherent comparison with a microwave cesium fountain clock

We report on an absolute frequency measurement of the hydrogen 1S-2S two-photon transition in a cold atomic beam with an accuracy of 1.8 parts in 10(14). Our experimental result of 2 466 061 413 187 103(46) Hz has been obtained by phase coherent comparison of the hydrogen transition frequency with an atomic cesium fountain clock. Both frequencies are linked with a comb of laser frequencies emitted by a mode locked laser.     

Improvement of the short-term stability of atomic fountain clock with state preparation by two-laser optical pumping

To improve the signal to noise ratio(SNR) and the short-term stability of cesium atomic fountain clocks, the work of two-laser optical pumping is presented theoretically and experimentally. The short-term stability of the NIM6 fountain clock has been improved by preparing more cold atoms in the |F = 4, mF= 0〉 clock state with a shortened cycle time.Two π-polarized laser beams overlapped in the horizontal plane have been applied after launching, one is resonant with|F = 4〉→ |F = 4〉 transition and the other is resonant with |F = 3〉→ |F = 4〉 transition. With optical pumping, the population accumulated in the |mF= 0〉 clock state is improved from 11% to 63%, and the detection signal is increased by a factor of 4.2, the SNR of the clock transition probability and the short-term stability are also improved accordingly.     

Difference between a photon's momentum and an atom's recoil

When an atom absorbs a photon from a laser beam that is not an infinite plane wave, the atom's recoil is less than variant Planck's k in the propagation direction. We show that the recoils in the transverse directions produce a lensing of the atomic wave functions, which leads to a frequency shift that is not discrete but varies linearly with the field amplitude and strongly depends on the atomic state detection. The same lensing effect is also important for microwave atomic clocks. The frequency shifts are of the order of the naive recoil shift for the transverse wave vector of the photons.     

激光减速原子束频标的建议

本文提出一个激光减速的碱金属原子束频标的方案。用共振激光束对原子束同时进行减速和选态,使原子速率降到10m/s以下,而光抽运作用使原子自动集中到基态超精细结构中具有最大磁量子数的塞曼子能级上。为避免重力场中束轨迹下垂,用偏转磁铁或多束激光使束由水平转成垂直向上,然后用级联磁共振使原子过渡到频标所需的m_F=0能级。利用原子上升和重力场中自由下落两次通过单个微波谐振腔而取得Ramsey共振信号,线宽约为¹Hz。信号用另一束激光检测。予期这种频标的稳定度和准确度可比现有束型频标提高一个数量级以上。文中详细讨论了激光减速和选态的方法,克服横向加热效应的措施,实现级联磁共振的办法,以及获得垂直束装置的设计等。