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。     

浅光晶格中量子隧穿现象的实验观测

基于一维水平光晶格的锶原子光晶格钟实验平台,当系统的稳定度和不确定度达到10-18量级以上时,由量子隧穿效应引起的钟频移变得不容忽视.在浅光晶格中,量子隧穿效应会使钟跃迁谱线发生明显的展宽现象,因此,本文通过研究浅光晶格中的量子隧穿现象,为⁸⁷Sr原子光晶格钟系统不确定度的评估奠定基础.本实验在一维⁸⁷Sr原子光晶格钟平台上,利用超稳超窄线宽的698 nm激光激发⁸⁷Sr冷原子~lS₀(|g>)→~3P₀(|e>)跃迁(即钟跃迁),实现了对锶原子分布在特定量子态的制备.在深光晶格中,将原子制备到|e,n_z=1>态后,再绝热地降低光晶格阱深,然后在浅光晶格中,探测激发态的载波-边带可分辨的钟跃迁谱线.从钟跃迁谱线中观测到载波谱线发生了明显的劈裂,表明原子在光晶格相邻格点间产生了明显的量子隧穿现象.通过对光晶格中量子隧穿机制的理解,不仅有利于提高光晶格钟的不确定度,也可为观测光晶格中费米子的自旋轨道耦合效应提供基础数据.     

利用钟跃迁谱线测量超稳光学参考腔的零温漂点

在87Sr光晶格钟实验系统中,通过将自由运转的698 nm激光频率锁定在由超低膨胀系数的玻璃材料构成的超稳光学参考腔上,从而获得短期频率稳定性较好的超稳窄线宽激光.超稳光学参考腔的腔长稳定性决定了最终激光频率的稳定度.为了降低腔长对温度的敏感性,使激光频率具有更好的稳定度和更小的频率漂移,利用锶原子光晶格钟的钟跃迁谱线,测量了698 nm超稳窄线宽激光系统中超稳光学参考腔的零温漂点.通过对钟跃迁谱线中心频率随温度的变化曲线进行二阶多项式拟合,得到698 nm超稳窄线宽激光系统的零温漂点为30.63℃.利用锶原子光晶格钟的闭环锁定,测得零温漂点处698 nm超稳窄线宽激光系统的线性频率漂移率为0.15 Hz/s,频率不稳定度为1.6×10^–15@3.744 s.     

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。     

小型化锶光钟物理系统的研制

光钟物理系统的小型化是制约可搬运光钟及空间冷原子光钟发展的重要因素.主要介绍了小型化锶原子光钟物理系统的研制实验.采用真空腔内置反亥姆霍兹线圈,构建一个小电流、低功耗及小体积的磁光阱.实验中测得真空线圈通电电流仅为2 A时,磁光阱中心区域轴向磁场梯度可达到43 Gs/cm,完全满足锶原子多普勒冷却与俘获对磁场梯度的要求.目前已经成功将锶原子光钟物理系统体积缩小至60 cm×20 cm×15 cm,约为实验室原锶光钟物理系统体积的1/10,并且实现了锶原子的一级冷却,测得俘获区冷原子团的直径为1.5 mm,温度约为10.6 mK.锶同位素~(88)Sr和~(87)Sr的冷原子数目分别为1.6×10~6和1.5×10~5.重抽运激光707和679 nm的加入,消除了冷原子在~3P_2和~3P_0两能态上的堆积,最终可将冷原子数目提高5倍以上.     

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.     

冷原子光钟

<正>光钟是近二十年来发展的一类新型原子钟,它参考的是具有高品质因子的光频跃迁,分为原子光钟和离子光钟。冷原子光钟利用激光冷却后的中性原子,这类原子一般是碱土金属或者类碱土金属原子,有镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、镱(Yb)和汞(Hg)等,它们最外层都有两个电子,单重态(ns~2)~1S_0至三重态(n snp)~3P_0之间的跃迁具有非常窄的线宽,是理想的光学频率参考源。冷原子光钟凭借其极高的频率准     

强磁场下Cs原子超精细塞曼能级上的光泵浦研究

强磁场中的Ｃｓ原子有较大的超精细塞曼分裂，实验用频率可调谐的窄线宽半导体激光调谐到各超精细塞曼能级上进行光泵浦，利用稳态吸收谱方法研究了原子的光泵浦。表明基态超精细相互作用的碰撞修正项导致的驰豫跃迁是谱形状和电子自旋极化新特征的根缘。同时提出了强场下极化度的一种测量方法。     

通过减小碰撞导致的退相干和谱线增宽提高光晶格钟稳定度

在⁸⁷Sr空间光晶格钟原理样机上实验观测了原子碰撞对谱线激发率抑制以及对谱线的展宽，并观测到由非弹性碰撞导致的原子损耗。通过简单地将原子数从6000减小至2000，实现了线宽为1.9 Hz的钟跃迁谱线，并将空间光晶格钟原理样机的稳定度提升至1×10^-15(τ/s)^-0.5。相关实验结果对研究光晶格的多体相互作用对钟跃迁谱线的影响具有重要意义。     

锶玻色子的“魔术”波长光晶格装载实验研究

光晶格中性原子光钟的不确定度已达到10^-18量级. 本文介绍了碱土金属锶原子玻色子⁸⁸Sr在“魔术”波长处的一维光晶格装载, 实现冷锶原子的囚禁并使锶原子的钟跃迁能级(5s²) ¹S₀-(5s5p) ³P₀在此波长处的交流斯塔克光频移一致. 实验中半导体激光器产生“魔术”光波长(813 nm), 通过实验搭建光学驻波场并获得晶格激光聚焦光束, 束腰半径为38 μm. 经过一级冷却和二级冷却后温度约为2 μK的冷锶原子被此“魔术”波长光晶格囚禁. 通过实验测量得到锶原子玻色子⁸⁸Sr光晶格寿命为270 ms, 数目约为1.2×10⁵, 温度在3.5 μK左右, 此外研究了晶格光功率对晶格囚禁原子数目及温度的影响作用. 原子的光晶格装载为后续的钟跃迁提供了长的探测时间, 为进一步的光钟闭环提供了实验基础.     

锶原子互组跃迁谱的实验研究

观测了热原子束中锶原子(5s²)¹S₀—(5s5p)³P₁ 互组跃迁的荧光谱和饱和荧光谱, 实验测定了不同的参量下 ⁸⁸Sr(5s²)¹S₀—(5s5p)³P₁ 互组跃迁荧光谱. 研究结果表明: 不同的实验参数(温度、激光光强、激光扫描频率)对谱线有较大的影响, (5s5p)³P₁态的长寿命特点导致谱线强度随激光扫描频率呈倒数关系变化; 由于Doppler增宽, 渡越增宽等因素的影响, 谱线线宽远大于其自然线宽且随激光扫描频率呈正比关系变化.     

Hg~+离子5d~(10)6s ~2S_(1/2)→5d~96s~2 ~2D_(5/2)钟跃迁同位素位移和超精细结构的理论研究

本文首先在Dirac-Hartree-Fock近似下理论评估了Hg~+离子5d~(10)6s ~2S_(1/2)→5d~96s~2 ~2D_(5/2)钟跃迁的质量位移(mass shift, MS)和场位移(field shift, FS)在其同位素位移(isotope shift, IS)中的相对贡献,发现MS远小于FS而可以被忽略.在此基础上,通过系统地考虑该原子体系中主要的电子关联效应,计算了这条钟跃迁FS的精确值以及涉及到的上下两个能级的超精细结构常数,并得到了几种稳定汞同位素离子该跃迁的IS和超精细结构分裂.其中,计算的~(199)Hg~+和~(198)Hg~+离子之间的钟跃迁频率偏移与已有实验测量值相比误差为2%左右.最终,本文给出了汞离子7种常见同位素该谱线的绝对频率值,为实验上的谱线测量提供了有效的理论依据.     

An optimized ion trap geometry to measure quadrupole shifts of ~(171)Yb~+ clocks

We propose a new ion-trap geometry to carry out accurate measurements of the quadrupole shifts in the ~(171)Yb ion.This trap will minimize the quadrupole shift due to the harmonic component of the confining potential by an order of magnitude.This will be useful to reduce the uncertainties in the clock frequency measurements of the 6s ~2S_(1/2)→4f~(13)6s~2 ~2F_(7/2)and 6s ~2S_(1/2)→5d~2D_(3/2) transitions,from which we can deduce the precise values of the quadrupole moments(0s) of the 4f~(13)6s~2 ~2F_(7/2) and 5d~2D_(3/2) states.Moreover,it may be able to affirm the validity of the measured 0 value of the4f~(13)6s~2~2F_(7/2) state,for which three independent theoretical studies defer almost by one order of magnitude from the measurement.We also calculate 0s using the relativistic coupled-cluster(RCC) method.We use these 0 values to estimate the quadrupole shift that can be measured in our proposed ion trap experiment.     

Observation of photon recoil effects in single-beam absorption spectroscopy with an ultracold strontium gas

We report on observing photon recoil effects in the absorption of a single monochromatic light at 689 nm through an ultracold ⁸⁸Sr gas,where the recoil frequency is comparable to natural linewidth of the narrow-line transition 5s^{2 1}S₀-5s5p ³P₁ in strontium.In the regime of high-saturation,the absorption profile becomes asymmetric due to the photon-recoil shift,which is of the same order as the natural linewidth.The lineshape is described by an extension of the optical Bloch equations including the momentum transfers to atoms during emission and absorption of photons.Our work reveals the photon recoil effects in a simplest single-beam absorption setting,which is of significant relevance to other applications such as saturation spectroscopy,Ramsey interferometry,and absorption imaging.     

真空紫外区Ar的高次离化光谱的研究

本文报道了波长在2000—194?真空紫外区域内Ar的高次离化光谱工作。观察到相当数量的新谱线,并归属了其中64条,还找到六个新能级,即:ArIV 3s²3p²(³P)3d²F_5/2,7/2, ArIV 3s²3p²(¹D)3d²S_1/2, ArV3s²3p3d关键词：     

Laser frequency locking based on the normal and abnormal saturated absorption spectroscopy of ~(87)Rb

We present a practical method to avoid the mis-locking phenomenon in the saturated-absorption-spectrum laserfrequency-locking system and set up a simple theoretical model to explain the abnormal saturated absorption spectrum. The method uses the normal and abnormal saturated absorption spectra of the same transition 5~2S_(1/2), F = 2–5~2P_(3/2), F'= 3 saturated absorption of the ~(87)Rb D_2resonance line. After subtracting these two signals with the help of electronics, we can obtain a spectrum with a single peak to lock the laser. In our experiment, we use the normal and inverse signals of the transitions 5~2S_(1/2), F = 2–5~2P_(3/2), F'= 3 saturated absorption of the ~(87)Rb D_2 resonance line to lock a 780-nm distributed feedback(DFB) diode laser. This method improves the long-term locking performance and is suitable for other kinds of diode lasers.     

新型电子俘获型光存储材料Sr2SnO4:Sb3+的发光性能研究

采用高温固相法在1300℃的温度获得了一种新型电子俘获型光存储材料 Sr₂SnO₄:Sb³⁺. 结果表明: 208 nm (Sb³⁺ 的¹S₀→¹P₁)和265 nm (¹S₀→³P₁)的紫外光是Sr₂SnO₄:Sb³⁺ 的最有效信息写入光源; 其发射是覆盖400---700 nm的宽带(³P_0,1→^XXS₀), 肉眼可看到淡黄色白光, 色坐标为(0.341, 0.395). 热释光谱研究结果表明: Sr₂SnO₄:Sb³⁺ 有分别位于39℃, 124℃, 193℃和310℃的四个热释峰. 其中, 39~℃的热释峰强度很低, 因而Sr₂SnO₄:Sb³⁺ 只具有不到140 s的微弱余辉. 而310℃的高温热释峰在空置1天后, 仍能保持约45.6%的初始强度, 并对980 nm的红外光有很好的红外上转换光激励响应. 因此, Sr₂SnO₄:Sb³⁺ 是一种具有一定的信息存储应用潜力的新型光存储发光材料.     

Gd3+,Yb3+和Tm3+共掺杂氟化物纳米晶中Yb3+-Tm3+-Gd3+间的能量传递

用水热法合成了Y_0.8-x-yF₃∶Gd_x³⁺,Yb_0.2³⁺,Tm_y³⁺纳米晶的上转换发光材料。在典型的Y_0.595F₃∶Gd_0.200³⁺,Yb_0.200³⁺, Tm_0.005³⁺纳米微晶中,在980 nm激光激发下,观察到了Tm³⁺的紫外、紫色上转换发射明显增强和来自于Gd³⁺的⁶D_9/2、⁶I_J、⁶P_5/2及⁶P_7/2能级到基态⁸S_7/2能级的紫外发射。通过比较Y_0.8-x-yF₃∶Gd_x³⁺ ,Yb_0.2³⁺,Tm_y³⁺纳米晶样品的上转换发光性质以及Tm³⁺和Gd³⁺中一些激发态的能级寿命,借助于能级图描述了Yb³⁺-Tm³⁺-Ga³⁺之间的有效的能量传递过程。