光梳主动滤波放大实现锶原子光钟二级冷却光源

提出一种结合注入锁定技术的主动滤波放大方法,将光梳直接注入锁定至光栅外腔半导体激光器,产生窄线宽激光光源,该光源可以用于锶原子光钟二级冷却.实验中,将中心波长为689 nm,带宽为10 nm的光梳种子光源注入689 nm光栅式外腔半导体激光器,通过半导体增益光谱与半导体光栅外腔,从飞秒光梳的多个纵模梳齿中挑选出一个纵模模式来进行增益放大,再通过模式竞争,实现单纵模连续光输出;同时,光梳的重复频率锁定在线宽为赫兹量级的698 nm超稳激光光源上,因此,注入锁定后输出的窄线宽激光也继承了超稳激光光源的光谱特性.利用得到的输出功率为12 mW的689 nm窄线宽激光光源实现了88Sr原子光钟的二级冷却过程,最终获得温度为3μK,原子数约为5×10~6的冷原子团.该方法可拓展至原子光钟其他光源的获得,从而实现原子光钟的集成化和小型化.     

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.     

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.     

锶原子光晶格钟

进入21世纪以来,锶原子光晶格钟经历了快速的发展,系统频移的不确定度指标已经超越现有的秒定义基准铯原子喷泉钟,进入到10~(-18)量级,体现了人类精密测量能力的最高水平,是精密测量物理的热点研究内容.本综述简要介绍了锶原子光晶格钟的发展水平;详细介绍了锶原子光晶格钟的各个组成部分和关键技术、如何进行精密光谱探测和闭环锁定以及各项系统频移的不确定度评估方法和锶原子跃迁绝对频率测量的方法等;最后简要介绍了锶光钟的应用和未来发展趋势.     

锶原子光晶格钟黑体辐射频移评估

在中性原子光晶格钟的系统不确定度评估中,通常黑体辐射引起的频移是最大的一项.黑体辐射频移主要受周围环境温度的影响.针对国家授时中心的锶原子光晶格钟实验系统,通过理论分析、腔体表面温度的测量和软件模拟相结合的方法,评估了锶原子光晶格钟黑体辐射频移的修正量和不确定度.其中主要分析了锶原子炉、蓝宝石加热窗口、透过窗口片进入到真空腔体内的室温以及Zeeman减速装置对原子团处的热辐射引起的黑体辐射频移.在真空腔体外表面设置了5个测温点,利用校准过的铂电阻温度传感器监测真空腔体外表面的温度变化,用SolidWorks绘图软件建立腔体模型,通过有限元分析软件模拟出在真空腔体温度变化0.72 K时,原子团所处位置温度的波动为0.34 K.最终得到黑体辐射频移总的修正量为-2.13(1) Hz,不确定度为2.4×10~(-17).     

高精度可搬运钙离子光钟

时间的计量一直是人们所关心的基本问题,它与人们的日常生产生活息息相关。随着科学技术的发展与进步,人类对时间的计量也越来越精确。近年来,光钟已经成为当前世界上最精确的计时工具。然而,往往因体积庞大、仅能在实验室环境工作,极大地限制了光钟的应用范围。实现可搬运、可靠、准连续运行的高精度光钟是科学家的愿望,也是对光钟科研工作者的挑战。文章将简单介绍光钟的原理,然后介绍可搬运钙离子光钟的研究进展,最后浅谈可搬运原子光钟的未来发展。     

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.     

锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测

87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对~(87)Sr原子钟跃迁能级5s~2~1S_0→5s5p~3P_0中的m_F=+9/2和m_F=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9μK,原子数目为3.5×10~6.利用邻近"魔术波长"的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对~1S_0→~3P_0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.     

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.     

光学频率标准与光钟的实现

综述了时间频率标准的发展过程.对构成光学频率标准的四个要素,即激光冷却、激光稳频、离子捕陷和光学频率梳进行了系统的介绍.详细描述了光钟的原理与系统构成,并对光学频率标准与光钟的应用前景进行了展望.     

我国锶原子光钟关键技术研究获进展

由中国计量科学研究院等单位共同承担的"高准确度原子光学频率标准仪的研制与开发"课题,顺利通过了国家质检总局组织的专家验收.该课题建立了锶原子塞曼减速器和激光冷却囚禁装置,研制了宽带钛宝石飞秒光梳和铒光纤光梳,完善了多个次级光学频率标准,掌握了锶原子光钟和光纤光梳研究     

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.     

基于二维磁光阱的增强型199Hg冷原子团制备

在精密测量领域中,高效地制备冷原子团具有重要的意义.在光晶格钟里,缩短冷原子团的制备时间可以降低Dick噪声,从而提高光晶格钟的稳定性.本文采用二维磁光阱加推送光的构型提高了三维磁光阱在超高真空环境中的装载率,并通过压缩磁光阱技术降低了原子团温度,实现了用于¹⁹⁹Hg光晶格钟的增强型冷原子团制备.实验上通过优化三维和二维磁光阱的失谐量和磁场梯度以及推送光的失谐量和功率等参数,将三维磁光阱的¹⁹⁹Hg冷原子装载率增强了51倍,提升至3.1×10⁵ s^–1,然后使用压缩磁光阱技术将¹⁹⁹Hg冷原子团的温度降低至45μK,低于多普勒冷却理论温度.这种基于二维磁光阱的增强型冷原子团制备可在超真空环境下实现对三维磁光阱装载率的高增益,有效地缩短了冷原子团的制备时间,同时也降低了原子团的温度,有利于提高光晶格的转移效率,为其他冷原子实验中冷汞原子团制备提供了有效方案.     

红外光谱法研究古代彩绘蛋白胶料光老化的二级结构变化

动物胶和蛋清是古代重要彩绘文物蛋白胶结材料,对其光老化蛋白质结构变化的研究与探索彩绘文物病变机理和选择科学保护材料、修复方法密切相关。以维也纳艺术历史博物馆的动物胶(骨胶、兔皮胶、鲟鱼胶)和蛋清为研究对象,利用红外光谱技术,结合酰胺Ⅰ带去卷积和高斯拟合法研究光老化过程中蛋白质二级结构的改变。结果表明,四种胶光老化后仍然具备蛋白质红外光谱的典型吸收特征。但红外吸收峰出现了不同程度的位移,其中蛋清糖苷键明显蓝移。酰胺Ⅰ带去卷积和高斯拟合结果显示,蛋白胶的二级结构占比发生了改变。其中,骨胶α-螺旋结构占比降低22.24%,逐渐解螺旋,无规则卷曲结构占比明显增高(9.76%);兔皮胶和鲟鱼胶α-螺旋结构占比分别降低5.31%,4.15%,前者无规则卷曲增幅最低(6.96%),后者反而减少,推测两者的光老化稳定性高。蛋清α-螺旋占比降低程度最高(44.45%),无规则卷曲占比增幅极大(27.49%),光老化稳定性最差。证实利用红外光谱技术,结合酰胺Ⅰ带去卷积和高斯拟合法研究文物蛋白胶料二级结构变化的方法是可行的,但其转化机理还需后期进一步探讨。     

基于可调谐光纤激光器的C2H2气体光声光谱检测

研制了基于可调谐掺Er光纤激光器的共振式光声光谱乙炔气体检测系统,结合波长调制和锁相放大器的二次谐波信号检测技术,有效地消除了光声池窗片和池壁吸收入射光而引起的背景噪声,通过对该系统的光学、声学和电子检测系统的优化,实现了低浓度乙炔气体的流动式检测.实验结果证明,当气体浓度较低时,二次谐波振幅与气体浓度成正比,其线性响应相关度达到0.999 53.在常温常压和3.5 mW平均光功率以及100 ms锁相积分时间条件下,乙炔气体的极限检测灵敏度达到了0.3 ppm(1 ppm=1μg·mL-1)(SNR=1时),系统用可调谐掺Er光纤激光器代替半导体激光器作光源,降低了成本,为发展低成本、实用、便携式微量气体光谱榆测仪器奠定了基础.若采用多光程光声池,或者采用EDFA提高激光功率,可大幅度提高信噪比,将极限检测灵敏度提高至ppb(1 ppb=1 ng·mL-1)量级.