锶原子互组跃迁荧光谱及其特性的研究

真空锁频系统是实现激光稳频的重要组成部分,在该系统中产生高分辨互组跃迁荧光谱((5s~2)~1S_0→(5s5p)~3P_1)是分析原子谱线相关特性及精确测量跃迁频率等参数的前提。本文通过将装载有毛细管的准直器置于锶炉内,从源头减小原子束的发散角,将原子束的发散角减小至3.1 mrad。即减小原子束的横向速度,进而减弱光与原子作用的一阶多普勒频移,实验最终得到分辨率较高且线宽为26 MHz的互组跃迁荧光谱。锶原子互组跃迁荧光谱特性的相关研究对于光晶格原子钟锁频系统的建立具有重要意义,因此本文从实验上探讨并分析了锶炉温度和激光光强等因素对互组跃迁荧光谱的影响。     

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.     

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.     

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.     

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.     

类镁离子3s2 1S0-3s3p 3P1(Z=14～103)跃迁的相对论多组态研究

利用全相对论性多组态Dirac-Fock平均能级(MCDF-AL)方法系统计算了高剥离类镁离子互组合线3s2 1S0-3s3p 3P1(Z=14～103)光谱跃迁的能级间隔和跃迁几率.计算中考虑了重要核的有限体积效应及Breit修正和QED修正,所得结果和最近的实验数据及理论计算值进行了比较.结果表明,高原子序数的高荷电离子跃迁的互组合线跃迁几率和中性原子的电偶极E1的相当.在ICF和MCF高温高密度激光等离子体中,互组合线跃迁几率过程不容被忽视.     

Ba原子6s5d~3 D与6p5d~3 F态的超精细结构及态间跃迁的同位素移动的直接确定

提出并演示了一种光泵预选态的原子光谱测量方法,并对Ba原子的6s5d3 D态与6p5d3 F态的超精细结构及该跃迁的同位素移动进行了直接测量。首先利用791nm的激光激发Ba原子特定同位素及特定超精细结构的6s6s 1 S0→6s6p3 P1跃迁,并利用6s6p3 P1→6s5d3 D2的自发辐射有选择地分别将这些同位素制备到6s5d3 D2态不同的超精细能级上,再用778nm的激光扫出对应的6s5d3 D2→6p5d3 F2跃迁的荧光光谱,通过这几组光谱之间的对比直接实现了对22条超精细谱线的认定和归属,从而得到了135 Ba和137 Ba的6s5d3 D2能级与6p5d3 F2能级的超精细结构常数及该跃迁的同位素移动。     

利用飞行时间法测定锶原子5s5p3P1亚稳态能级寿命

本文结合TOF法和吸收光谱测量技术,利用连续光场测定了锶原子亚稳态能级的寿命。实验中,利用689nm激光连续泵浦基态锶原子至5s5p3P1亚稳态能级,然后在距泵浦区域不同距离处观测处于5s5p3P1态的原子对688nm探测光的吸收强度,得到锶原子5s5p3P1态的能级寿命,我们利用TOF法实验得到的能级寿命为21.9±0.8μs。本文给出的方法具备实验装置简单的优点,同时可获得较高的测量精度。     

F2 Σ+ -X 2Σ +Band System of Cobalt Carbide

用脉冲直流放电产生Xe原子亚稳态5p56s[3/2]2和5p56s′[1/2]0.在单光子28000－42000cm-1能量范围内,结合飞行时间质谱技术获得Xe原子共振增强激发光谱.光谱分析表明,所有谱线来源于Xe原子5p56s[3/2]2和5p56s′[1/2]0两个亚稳态吸收单个光子向偶宇称np′、nf′自电离Rydberg态序列的跃迁.实验观测到许多新的自电离能级,并获得更精确和系统的能级位置和量子亏损值数据.     

Precision frequency measurement of visible intercombination lines of strontium

We report the direct frequency measurement of the visible 5s(2) 1S0-5s5p 3P1 intercombination line of strontium that is considered a possible candidate for a future optical-frequency standard. The frequency of a cavity-stabilized laser is locked to the saturated fluorescence in a thermal Sr atomic beam and is measured with an optical-frequency comb generator referenced to the SI second through a global positioning system signal. The 88Sr transition is measured to be at 434 829 121 311 (10) kHz. We measure also the 88Sr-86Sr isotope shift to be 163 817.4 (0.2) kHz.     

Doppler cooling to the quantum limit

Doppler cooling on a narrow transition is limited by the noise of single scattering events. It shows novel features, which are in sharp contrast with cooling on a broad transition, such as a non-gaussian momentum distribution, and divergence of its mean square value close to the resonance. We have observed those features using 1D cooling on an intercombination transition in strontium, and compared the measurements with theoretical predictions and Monte Carlo simulations. We also find that for very a narrow transition, cooling can be improved using a dipole trap, where the clock shift is canceled.     

A robust method for frequency stabilization of 556-nm laser operating at the intercombination transition of ytterbium

A frequency-stabilized 556-nm laser is an essential tool for experimental studies associated with 1 S 0-3 P 1 intercombination transition of ytterbium (Yb) atoms.A 556-nm laser light using a single-pass second harmonic generation (SHG) is obtained in a periodically poled MgO:LiNbO 3 (PPLN) crystal pumped by a fiber laser at 1111.6 nm.A robust frequency stabilization method which facilitates the control of laser frequency with an accuracy better than the natural linewidth (187 kHz) of the intercombination line is developed.The short-term frequency jitter is reduced to less than 100 kHz by locking the laser to a home-made reference cavity.A slow frequency drift is sensed by the 556-nm fluorescence signal of an Yb atomic beam excited by one probe beam and is reduced to less than 50-kHz by a computer-controlled servo system.The laser can be stably locked for more than 5 h.This frequency stabilization method can be extended to other alkaline-earth-like atoms with similar weak intercombination lines.     

推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化。这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益。其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5 mW·cm-2·μm-1·sr-1以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm-2·μm-1·sr-1即可保证正常读出的概率大于99.6%。随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大。根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。最后,利用宽波段成像光谱仪（WIS）数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点。根据噪声模型对中心波长为0.443 μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响。结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB。该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和。成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。     

星间微波光子链路调制方式的优化

针对外调制星间微波光子链路输出信噪比优化问题,建立了基于双电极马赫 曾德尔调制器的强度调制直接探测星间微波光子链路模型,通过优化调制器调制方式来提高链路性能。用数值模拟方法得到了单边带、双边带和推挽式3种调制方式下链路输出信噪比,利用曲面投影法求得了最优调制方式时一定信噪比要求下发射端所需最小光放大器增益和对应的调制器直流偏置相位。结果表明:相同输入射频信号功率和发射光功率情况下,双边带调制输出信噪比比单边带调制高3 dB,低直流偏置相位推挽调制可以进一步优化输出信噪比。输入射频信号功率为-20 dBm,输出信噪比为17.3 dB时,所需最小光放大器增益为43.9 dB,对应的直流偏置相位为0.87。     

Recoil-limited laser cooling of 87Sr atoms near the Fermi temperature

A dynamic magneto-optical trap, which relies on the rapid randomization of population in Zeeman substates, has been demonstrated for fermionic strontium atoms on the 1S0-3P1 intercombination transition. The obtained sample, 1x10(6) atoms at a temperature of 2 microK in the trap, was further Doppler cooled and polarized in a far-off resonant optical lattice to achieve 2 times the Fermi temperature.     

基于自适应随机共振理论的太赫兹雷达信号检测方法

太赫兹雷达系统在差频信号频谱分析过程中,干扰噪声影响其测距能力.针对上述问题,提出基于自适应随机共振理论的太赫兹雷达信号检测方法,通过对含噪差频信号进行二次采样,利用自适应随机共振系统提取信号,进行尺度恢复完成测距计算.实验数据显示,不同测量距离时,相较于快速傅里叶变换法,输出信噪比的平均增益为9.684 d B,其中测量距离为1000 mm处,差频信号初始频谱值提高了64.1倍,系统信噪比增益为11.761 d B;相较于滤波法,在测量距离为1000 mm处信噪比增益最大,提高了70.56%;输入噪声强度为1—5 V之间时,输出信噪比曲线的曲率相对于滤波法降低了86.5%,其中噪声强度为5 V时信噪比增益最大,为14.018 d B.实验表明太赫兹雷达系统的测距能力大幅提高.     

Theoretical and experimental investigations of photophysics of the nile red molecule and its protonated structures

Results of quantum-chemical studies of the nile red (NR) molecule and its protonated structures by the INDO/S method are presented. It is demonstrated that the best agreement between the calculated and experimental data is obtained for the flat molecule in the ground electron state. Energies of the strongest singlet and triplet electronic states, molecular nature of these states, transition oscillator force, dipole moments in the ground and excited states, electron density distribution around atoms and molecular fragments in the S₀ and S₁ states, and rate constants of radiative, internal, and intercombination conversion are presented for the NR molecule and its protonated structures. The most probable NR protonation centers are analyzed using the molecular electrostatic potential (MESP) method. It is established that the reaction of proton addition to the NR molecule proceeds at the cyclic nitrogen atom. As demonstrated the results of quantum-chemical calculations, low fluorescent properties of the protonated NR structures (with a quantum yield of 4%) are due to a high rate of the S₁ – T₄ intercombination conversion.