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.     

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.     

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).     

镱原子光晶格钟二阶Zeeman频移的测量

背景磁场的精确标定对于原子钟的闭环运转以及不确定度评估有着重要的影响。在中性原子光晶格钟的不确定度的评估中,背景磁场引入的二阶Zeeman频移是重要的贡献项之一。本文提出利用自比对的方法,测量不同背景磁场条件下镱原子钟跃迁¹S₀→³P₀两个π跃迁谱线对应的Zeeman分裂频率间距差值,得到Zeeman分裂频率间距差与相应背景磁场线圈电流的对应关系,最终标定出最小Zeeman分裂间距差在三个维度上对应的补偿磁场线圈驱动电流值。在此基础上,分别调节偏置磁场处于高低磁场强度条件下,测量了剩余背景磁场对钟跃迁频率产生的二阶Zeeman频移。结果显示二阶塞曼频移系数-0.0655(3) Hz/G²,对应的二阶Zeeman频移不确定度5.7×10^-17。这项工作的开展为镱原子光晶格钟不确定度总体评估奠定了基础。     

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%。     

基于多普勒测速法的永磁体塞曼减速器研究北大核心CSCD

为实现锶原子光钟的空间应用,采用永磁体塞曼减速器,可有效规避塔状线圈造成的高功耗和体积占比大的问题,利于光钟的空间化发展。基于永磁体构建锶光钟的环状和柱状塞曼减速器,在减速原理、磁场构建和样品研制方面各有优劣,利用多普勒测速法可对两种减速器的减速效率进行测量,可将两种减速器的减速分布曲线累计分布后对比。实验结果表明:两种永磁体塞曼减速器都达到一定减速效果,但环状永磁体塞曼减速器在体积和减速效果上,相较单x方向的柱状永磁体塞曼减速器,体积减少了60%,重量减少了80%,减速效果部分区域效率高一倍,因此优势更为显著。进一步采用环状永磁体塞曼减速器俘获锶原子的三种同位素,完成了小型化锶原子光钟的一级俘获,满足零功耗、体积小的紧凑化光钟设计需求。     

光钟

时间标准的研究在人类生活和科学探索中有着举足轻重的地位.文章简要介绍了时间的基本单位“秒”定义的几次重要发展与变迁,重点介绍了光钟的工作原理、关键部件、研究进展和光钟对“秒”定义未来发展的重要性.     

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.     

镱原子光钟基于FPGA控制系统的数据处理

高精度光钟被认为是广义相对论验证,相对论测地学以及暗物质探测的重要工具。镱原子光钟是目前国际上稳定度最好的光钟,通过36 h的平均可以进入10~(-19)的量级。控制系统是镱原子光钟的重要组成部分,它主要负责光钟系统的时序控制。本文提出一种基于Python语言支持的现场可编程门阵列(FPGA)控制系统,通过编译和调用Python程序包在FPGA上运行,用来产生光钟运行过程所需的各种控制信号,以及对镱原子光钟工作过程中获取的数据进行存储和后期处理。研究结果表明:基于FPGA控制系统的数据处理可以完全匹配传统Matlab和Origin软件的数据处理方法,获取μK量级冷原子的温度和Hz量级的钟跃迁谱线宽;另外,对复杂钟跃迁谱线实现高斯基函数的多峰拟合,通过与早期实验过程中噪声分析建立的数据库进行比对,用来作为光钟运行的过程分析和故障诊断,有助于未来将机器学习引入高精度原子光钟的数据处理用来实现引力波以及暗物质的探测。     

锶光钟Zeeman减速器中截止速度对蓝磁光阱原子数的影响

基于分布函数理论,分析了Zeeman减速器中截止速度对蓝磁光阱装载的影响,研究了Zeeman减速器中截止速度与蓝磁光阱俘获原子数目之间的关系,对比了分布函数理论和通用理论两种模型的拟合结果,结果表明,分布函数理论模型能更好地描述两者之间的关系。利用多匝Zeeman减速器对进入蓝磁光阱的热原子束进行减速,制备了锶光钟的冷原子样品。在光钟系统研制中,利用分布函数理论对Zeeman减速器进行了优化设计,提高了Zeeman减速器的工作效率,为实现更高效更紧凑的Zeeman减速器及光钟小型化提供了参考。     

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.     

应用于铯原子喷泉钟的二维磁光阱研制

理论模拟研究了二维磁光阱原子束流量与饱和蒸汽压、冷却光强、激光失谐量的关系, 构建了二维磁光阱(2D-MOT)装置, 实验上实现了大流量的慢速原子束, 其测量值为2.1× 10⁹/s.利用荧光法测量了各实验参数与流量的关系, 测量结果与数值模拟结果符合较好. 关键词： 2D-MOT 流量 慢速原子束 铯原子喷泉钟     

利用塞曼扫频法实现对减速锶原子束速度分布的直接测量

应用塞曼扫频的方法对减速前后锶原子束的速度分布进行了测量,减速前锶原子束的最可几速度为420 m/s,减速后锶原子束的最可几速度为60 m/s,速度分布线宽相应压窄.塞曼扫频法实验装置简单,操作方便,原子束的速度分布源自对原子束荧光的直接观测,测量精度较高. 关键词： 光钟 原子束 塞曼效应 塞曼减速器     

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.     

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。