氢原子钟双选态束光学系统仿真分析

氢原子钟利用氢原子基态超精细能级跃迁信号进行精确计时,具有中短期频率稳定度优异、频率漂移率低的特点.氢原子钟需要通过磁选态将高能态原子选出,目前广泛应用的磁选态方案中,既有原子钟跃迁所需要的|F=1,mF=0>态,还有钟跃迁所不需要的|F=1,mF=1>态氢原子,这使得氢原子钟的中长期频率稳定性难以进一步提高.为了进一步提高氢原子钟原子跃迁谱线质量和整机性能,通过计算和仿真,构建了基于Majorana跃迁的氢原子钟双选态束光学系统,优化了一级选态区、态反转区、二级选态区等关键部件的参数,进一步排除了|F=1,mF=1>态原子.选态后的|F=1,mF=0>态原子纯度达到99%,利用率为58%,工程应用较为理想.有效地提升了进入原子储存泡内|F=1,mF=0>态氢原子的占比,同时原子的利用率处于可控范围.通过实验对该方案的有效性进行了验证,通过开启双选态系统,可以观察到氢原子钟信号的增强;通过调整双选态系统的线圈电流,可以观察到信号随线圈电流的变化,这验证了双选态系统的有效性.