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.     

Precision frequency measurement of ~1S_0–~3P_1 intercombination lines of Sr isotopes

We report on frequency measurement of the intercombination(5s2)1S0–(5s5p)3P1transition of the four natural isotopes of strontium,including88Sr(82.58%),87Sr(7.0%),86Sr(9.86%),and84Sr(0.56%).A narrow-linewidth laser that is locked to an ultra-low expansion(ULE)optical cavity with a finesse of 12000 is evaluated at a linewidth of 200 Hz with a fractional frequency drift of 2.8×10-13at an integration time of 1 s.The fluorescence collector and detector are specially designed,based on a thermal atomic beam.Using a double-pass acousto-optic modulator(AOM)combined with a fiber and laser power stabilization configuration to detune the laser frequency enables high signal-to-noise ratios and precision saturated spectra to be obtained for the six transition lines,which allows us to determine the transition frequency precisely.The optical frequency is measured using an optical frequency synthesizer referenced to an H maser.Both the statistical values and the final values,including the corrections and uncertainties,are derived for a comparison with the values given in other works.     

Reconciliation of Theoretical Lifetimes of the 5s5p3P2o Metastable State for 88Sr with Measurement: The Role of the Blackbody-Radiation-Induced Decay

We conducted measurement and calculation to resolve the long-standing large discrepancy in the metastable state lifetime for the ⁸⁸Sr atom between theoretical and experimental results. The present lifetime τ = 830_-240⁺⁶⁰⁰s,measured using the magneto-optical trap as a photon amplifier to detect the weak decay events, is approximately60% larger than the previous experimental value τ = 520_-140⁺³¹⁰s. By considering the electron correlation effec...     

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     

光晶格原子钟研究进展

经过近20年的发展,基于光频跃迁的光晶格原子钟展示了优异的频率稳定度和不确定度,是重定义时间单位“秒”的有力候选者之一。随着地面基准光晶格原子钟性能的提升,光晶格原子钟已经成功地走出了实验室,实现了可搬运晶格原子钟并正在研制可在太空中运行的空间光晶格原子钟。本文综述了影响光晶格原子钟稳定度和准确度的关键因素,以及抑制或者消除这些因素的主要技术;并结合国内外的研究成果,综述了地面基准光晶格原子钟、可搬运光晶格原子钟和空间光晶格原子钟的技术特点和研究进展。     

可搬运锶光晶格钟系统不确定度的评估

可搬运光学原子钟在科学研究和工程应用中具有重要意义.本文测量了可搬运87Sr光晶格钟系统的主要频移,包括黑体辐射频移、碰撞频移、晶格光交流斯塔克频移、二阶塞曼频移等.首先实验上测量了磁光阱腔体表面的温度分布,分析了不同热源对原子团的影响,得到黑体辐射总的相对频移修正量为50.4×10^-16.相对不确定度为5.1×10^-17.然后利用分时自比对方法,评估了碰撞频移、晶格光交流斯塔克频移和二阶塞曼频移.结果表明,由黑体辐射引起的频移量最大,晶格光交流斯塔克频移的不确定度最大,系统总的相对频移修正量为58.8×10^-16,总不确定度为2.3×10^-16.该工作为可搬运87Sr光晶格钟之后的性能提升和应用提供了条件.     

用于可搬运锶光钟二级冷却光源的研制

光钟在时间保持、精密测量、暗物质探测等方面有广泛的应用。可搬运光钟研制是光钟的重要方向，它是不同类型光钟比对以及引力红移测量的重要设备。研制用于冷原子制备的可搬运冷却光源是实现可搬运光钟研制的关键。本文主要介绍了可搬运锶光钟二级冷却光源的研制。首先，通过Pound-Drever-Hall稳频技术将半导体激光器锁定在超稳腔上，实现了用于锶光钟二级冷却的689 nm窄线宽稳频光源，其线宽优于263 Hz，频率秒稳定度优于1.56×10^-14。另外，利用注入锁定技术制备了两台同等性能的光源，分别用作二级冷却阶段的俘获光和匀化光。整个光学系统集成在一个0.56 m²的光学面包板，通过光纤与真空系统耦合，整体可搬运。利用该稳频光源，实验上制备了数目为2×10⁶，温度为5.3μK的二级冷却原子团，这为下一步进行光晶格原子装载和钟跃迁谱探测奠定了基础。     

利用补偿线圈提高塞曼减速器效率的理论及实验研究

研究了用于锶原子光晶格光钟原子冷却的塞曼减速器,应用增添补偿线圈的方法可以延长减速器的有效减速距离和增大减速器末端的磁场梯度,进而增加一级冷却俘获锶原子的数目,理论分析采用该方法实现的塞曼减速器较使用单一线圈塞曼减速器可以增加31.17%的俘获原子数目;飞行时间法测量了减速前后原子束中原子的速度分布,原子的最可几速度由380m/s降为43m/s,分布线宽相应变窄。荧光法测量俘获原子数目表明在相同实验条件下,应用补偿线圈后磁光阱俘获原子数目从1.26×106提高到1.81×106,增加30.4%。