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.     

冷原子EIT介质的原子数目和温度的测量

简要介绍了我们实验组冷却、俘获87Rb原子的磁光阱装置及冷却俘获过程。采用收集荧光法测得了俘获的冷原子数目,并根据冷原子团尺寸推算出了冷原子团密度。通过在冷原子团下方4 mm,7 mm,10 mm三处设置圆柱形探测光束,在原子自由下落过程中获得了短程飞行时间(TOF)吸收信号,通过数值拟合得到了冷原子的温度。结果表明:俘获的冷原子数目大约为109个,密度大约为1011个/cm3,冷却温度约为200μK,该冷原子团能作为很好的EIT介质。     

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.     

可移动型锶原子光钟的系统研制与钟跃迁谱线探测

主要介绍了可移动锶原子光晶格钟的系统研制和钟跃迁谱线探测。光钟系统采用尺寸为120 cm×50 cm×60 cm的小型化物理系统,通过光纤将模块化的子光路系统与物理系统连接。经过一级461 nm激光和二级689 nm激光冷却后,得到原子数目为1.02×10~6、原子温度为5.45μK的冷原子团。利用具有"魔术波长"的晶格光实现~(87)Sr的一维光晶格装载,晶格寿命为434 ms,晶格中原子温度为4.63μK。在具有超窄线宽的698 nm钟激光探测下,得到边带可分辨的钟跃迁谱、窄线宽简并谱、自旋极化谱及拉比振荡曲线。经钟激光探询后,得到的自旋极化谱的谱线线宽为11.79 Hz,接近傅里叶探测极限的理论值,为可移动光钟的闭环工作提供了频率参考。     

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.     

锶原子多普勒冷却温度的测量

在实现基于碱土金属锶原子(5s2)1S0→(5s5p)1P1的多普勒冷却实验基础上,分别采用短程飞行时间法和原子吸收膨胀法,测量了锶原子同位素88Sr(玻色子)冷原子团温度约为9 mK,87Sr(费米子)冷原子团的温度在2 mK左右,并结合多普勒冷却极限温度理论对实验结果进行了分析.为下一步1S0→3P1的窄线宽冷却提供了良好的基础.     

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.     

利用塞曼减速法实现锶同位素的磁光阱俘获

利用塞曼减速法在磁光阱(MOT)中实现锶原子一级冷却,使用塞曼减速器对进入阱区前的热原子束进行减速,实验时该减速器线圈通入10.2 A电流,阱区反亥姆霍兹线圈通入10 A电流时,中心区域线性磁场梯度为4 mT/cm,用于冷却和俘获的激光波长为461 nm,其对应于锶原子(5s~2)~1S_0→(5s5p)~1P_1的能级跃迁。通过实验获得了锶4种同位素的冷原子团、探测到相应的冷原子荧光光谱,并且测定其中~(88)Sr,~(87)Sr和~(86)Sr的冷原子数目分别为1.759×10~6,1.759×10~5和2.638×10~5。     

一种精确测量原子喷泉冷原子团温度的方法

冷原子团的高斯半径和温度是用来描述冷原子团,反映冷原子特性的主要参数.本文提出了一种新型的测量冷原子团高斯半径和温度的方法,采用过饱和近共振激光束照射冷原子团,原子由于吸收了光子动量偏离原来的运动轨道,而不能被探测系统所探测.根据冷原子团的原子分布规律,理论上构建了物理模型,通过改变作用于冷原子团的推除光的尺寸来控制被推除的冷原子数目,计算得到了不同高斯半径的冷原子团剩余原子数目与推除光尺寸的关系.以国家授时中心铯原子喷泉为实验平台,利用横向偏置的刀口光阑在不同下落高度控制作用于冷原子团的推除光尺寸,测量出不同高度的剩余原子数目随推除光尺寸的变化情况.应用理论公式拟合实验数据,最终得到冷原子团在磁光阱中心正下方10 mm和160 mm处的高斯半径分别为(1.54±0.05) mm和(3.29±0.08) mm,进一步计算得到冷原子团温度为(7.50±0.49)μK.为了验证刀口法的准确性和可重复性,在同一实验条件下用刀口法和飞行时间法对冷原子团温度进行了测量与对比,最终得到两种方法的测量结果基本一致.     

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.     

CSRm随机冷却初步设计

根据实际情况对兰州重离子加速器冷却储存环主环随机冷却做了初步设计和优化, 用冷却方程对主环随机冷却做了详细的数值模拟计算. 研究表明, 随机冷却对主环束流冷却速度很快, 冷却效果很好. 通过对电子冷却和随机冷却的比较, 提出主环的束流冷却采用电子冷却和随机冷却相结合的办法, 这样可以加快冷却速度, 得到更高流强、更好品质的束流.     

能量传递制冷机制中激光制冷的最佳泵浦频率和最大制冷效率

在能量传递型激光制冷中,对于非均匀线宽比较窄的情况,引起最大制冷效率的激发光频率不随温度的变化而变化最大制冷效率与温度呈三次暴的关系。对于非均匀线宽比较宽的情况。随着温度的降低,最佳激发光频率与非均匀线形的中心频率差越来越大,并在较低的温度下迅速拉大它们间的距离。由能量传递机制所引起的荧光制冷最大效率也随着温度的降低而越来越低,并在最后趋于零。它们随温度的降低而降低的规律与实验中得到的结论相符合。     

Coolant choice for the central beryllium pipe of the BESⅢ beam pipe

In order to take away much more heat on the BESⅢ beam pipe to guarantee the normal particle detection,EDM-1(oil No.1 for electric discharge machining),with good thermal and flow properties was selected as the candidate coolant for the central beryllium pipe of the BESⅢ beam pipe.Its cooling character was studied and dynamic corrosion experiment was undertaken to examine its corrosion on beryllium.The experiment results show that EDM-1 would corrode the beryllium 19.9 μm in the depth in 10 years,which is weak and can be neglected.Finite element simulation and experiment research were taken to check the cooling capacity of EDM-1.The results show that EDM-1 can meet the cooling requirement of the central beryllium pipe.Now EDM-1 is being used to cool the central beryllium pipe of the BESⅢ beam pipe.     

Effect of impingement jet on the full-coverage film cooling system with double layered wall

The present study was conducted to evaluate the total cooling effectiveness in combined full-coverage film cooling and impingement jet using an infrared thermographic technique. The effect of film cooling hole angle, blowing ratio, and height to diameter ratio between the film cooling and impingement jet plates was discussed. The total cooling effectiveness increased as impingement jet cooling was added. The angled film cooling holes had approximately 4.6% higher total cooling effectiveness than the normal film cooling holes. The total cooling effectiveness was almost constant regardless of height to diameter ratio, but enhanced as the blowing ratio was increased.     

冷却曲线的数据拟合及回归方程之选择

对冷却速率的测量数据进行拟合。结果表明与手工作图法相比其精度至少可提高一个数量级。对根据测量数据如何选择适合的拟合回归方程也作了讨论。     

Simulation and experiment of the cooling effect of trapped ion by pulsed laser

We investigate the process of pulsed laser cooling using a self-constructed molecular dynamics simulation(MDSimulation) program. We simulate the Doppler cooling process and pulsed laser Doppler cooling process of a single ~(40)Ca~+ ion, and the comparison with the experimental results shows that this self-constructed MD-Simulation program works well in the weak laser intensity situation. Furthermore, we analyze the pulsed laser Doppler cooling process of a single ~(27)Al~+ ion. This program can be used to analyze the molecular dynamic process of various situations of Doppler cooling in an ion trap, which could give predictions and experimental guidance.     

激光致冷(续)

激光偏振梯度致冷是另外一种使中性原子降温的有效方法，而且能使原子温度突破多普勒温度极限。实验上首先由W．D．Phillips领导的研究小组于1988年采用并获得成功，然后Dalibard和Cohen-Tannoudji给予了理论解释。激光偏振梯度致冷原理大致描述如下：     

原子冷却技术的发展

新的物理现象的发现往往得益于新实验技术的发明,制冷技术的进步推动了包括凝聚态物理学和原子物理学等现代科学多个领域的重要发现,并促进了超导强磁铁、冷冻电镜等需要极低温度条件的新技术的发展.近年来,随着激光冷却技术的发明和不断发展,人们得以在极端低温下开展统计力学和量子力学相关的实验研究,迄今,人们已经实现了玻色-爱因斯坦凝聚态这种新奇的物态,并掌握了在单原子尺度开展量子调控研究的能力.同时,由于描述量子多体系统的希尔伯特空间的维度随系统粒子数呈指数增长,即便使用经典超级计算机处理此类问题也仍面临巨大困难,这使得基于超冷原子、离子、超导等体系的量子模拟研究成为热点.人们通过前所未有的调控能力制造人工量子系统,再直接调控并观测其量子相变过程,这为研究强关联量子系统提供了一条崭新的途径.在获得极限低温的道路上,基于热力学定律的传统制冷技术能够达到的温度极限在mK量级,但激光冷却技术却另辟蹊径,巧妙地运用光与原子的相互作用,将原子的温度降低到nK量级,这大大推动了基于超冷原子的量子模拟研究的发展.尽管激光冷却技术获得的超冷原子的温度是传统制冷技术远不能及的,但由于中性原子间相互作用强度很弱,转换...     

Experimental study on supersonic film cooling on the surface of a blunt body in hypersonic flow

The experimental study focuses on the heat flux on a double cone blunt body in the presence of tangential-slot super- sonic injection into hypersonic flow. The tests are conducted in a contoured axisymmetric nozzle with Mach numbers of 7.3 and 8.1, and the total temperature is about 900 K. The injection Mach number is 3.2, and total temperature is 300 K. A constant voltage circuit is developed to supply the temperature detectors instead of the normally used constant current circuit. The schlieren photographs are presented additionally to visualize the flow and help analyze the pressure relationship between the cooling flow and the main flow. The dependence of the film-cooling effectiveness on flow parameters, i.e. the blow ratio, the convective Mach number, and the attack angle, is determined. A semi-empirical formula is tested by the present data, and is improved for a better correlation.     

囚禁N2+离子的冷却实验

在Paul 阱中,开展了N2+离子电阻冷却和缓冲气体冷却实验。用抛出检测法精确测量离子信号的变化,提高了测量电阻冷却效果的灵敏度;用改变囚禁势的方法,测出了冷却离子的温度,观察到冷却离子的囚禁时间增加和速度分布范围减小的现象。