An effective pumping method for increasing atomic utilization in a compact cold atom clock

We propose a simple pumping method to increase the effective population of cold atoms in the clock state and investigate the factors which affect the pumping efficiency in cold atom systems. We report the theory and demonstrate the corresponding experiment in an ⁸⁷Rb integrating sphere cold atom clock. The experimental results show that the population of cold atoms in the Zeeman sublevel |F=2, m_F=0> is approximately 1.62 times that of the result using optical pumping alone. This method can also be applied to increase the effective population in any one of the target Zeeman sublevels in other cold atom systems.     

Optical pumping of the 2p3sP0 State of Ne (I = 3/2): g factor and metastability exchange cross section

A C.W. multi-mode dye laser is used to obtain by optical pumping an orientation of the 2p⁵ 3s³P₀ (F = 3/2) state of ²¹Ne. A magnetic resonance experiment leads to the measurement of the g factor g (³P₀) = 3.027 (8) × 10⁻⁴ to be compared with the theoretical prediction (3.025(6) × 10⁻⁴). One obtains also the metastability exchange cross section σ(³P₀) = 18.4 ± 4 Ų for collisions between metastable (³P₀) Ne atoms and ground state Ne atoms. This result is compared with other measurements and theoretical evaluation.     

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.     

高准确度的钙离子光频标

近年来,冷原子技术和激光技术促进了高精度光频标的发展,有望在建立时间基准、推动基础研究和满足国家需求等方面发挥重要的作用.本文介绍了中国科学院武汉物理与数学研究所近年来在高准确度钙离子(~(40)Ca~+)光频标研究方面的进展:采用新的ULE腔系统,实现了729 nm钟跃迁激光器1—100 s的频率稳定度均优于2×10~(-15),通过对外场和环境效应的控制及克服,特别是囚禁离子运动效应的抑制,获得单个钙离子光频标的不确定度优于5.5×10~(-17);通过两台光频标的比对,测得20000 s的稳定度也进入10~(-17)量级;基于高精度钙离子光频标平台,进行了相关精密测量的工作,包括:基于全球定位系统的超高精度远程光频绝对值测量方案,第二次测量了钙离子的光频跃迁绝对值,该测量结果再次被国际时间频率咨询委员会采纳,更新了钙离子的频率推荐值;精确测量了钙离子的钟跃迁魔幻波长,由此提出新型的全光囚禁离子光频标的方法;精密测量了钙离子的亚稳态寿命等参数.以上工作推动了基于冷原子的精密测量工作.     

用于铯原子内态操控的双光子拉曼激光的产生及应用

双光子拉曼过程是一种有效制备和控制原子内态的方法, 在原子内态操控和基于原子的量子信息处理中具有重要意义. 研制用于特定原子的拉曼激光是实现该过程的重要一步. 报道了利用光纤波导相位调制器及滤波器等实现用于铯原子内态操控的拉曼激光的方法, 并成功用于单个铯原子的内态精密操控. 通过4.6 GHz的微波信号源直接驱动波导相位调制器高效地获得光场的调制边带, 并利用自由光谱区为9.19 GHz的法布里-珀罗腔将载波及二阶边带滤掉, 获得了频率精确、相差9.19 GHz的拉曼激光. 经过基于光纤振幅调制器的功率稳定系统, 最终可以获得总功率为73 μupW、长时间内波动为2.2%的拉曼激光束, 并将此光束用于激发单个铯原子, 实现了|6S_1/2, F=4, mF=0和|6S_1/2, F=3, mF=0 之间的可控拉比操作.     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

利用传输腔技术实现镱原子光钟光晶格场的频率稳定

为了获得高稳定度和高精确度的原子光晶格钟,光晶格场的频率必须得到锁定,线宽必须控制到特定水平用来消除交流斯塔克频移.本文提出利用传输腔技术来实现对镱原子光钟的光晶格场的频率锁定和抑制频率长期漂移的锁定方案.首先,将一个殷钢材料的传输腔锁定在基于调制转移谱技术锁定的780 nm激光场上,再将759 nm的光晶格光场锁定在传输腔上.实验结果表明,光晶格光场的线宽可以锁定和控制在1 MHz以下.光晶格光场与锁定于氢钟的光梳拍频结果显示,光晶格光场的长期频率稳定度优于3.6×10~(-10),可以确保实现镱原子光钟的不确定度进入10~(-17).     

Rubidium-beam microwave clock pumped by distributed feedback diode lasers

A rubidium-beam microwave clock, optically pumped by a distributed feedback diode laser, is experimentally investigated. The clock is composed of a physical package, optical systems, and electric servo loops. The physical package realizes the microwave interrogation of a rubidium-atomic beam. The optical systems, equipped with two 780-nm distributed feedback laser diodes, yield light for pumping and detecting. The servo loops control the frequency of a local oscillator with respect to the microwave spectrum. With the experimental systems, the microwave spectrum, which has an amplitude of 4 n A and a line width of 700 Hz, is obtained. Preliminary tests show that the clock short-term frequency stability is 7 × 10~(-11) at 1 s, and 3 × 10~(-12) at 1000 s. These experimental results demonstrate the feasibility of the scheme for a manufactured clock.     

光晶格动量依赖偶极势中原子运动

研究了原子在光晶格偶极势依赖原子动量情况下的运动, 特别考虑了偶极势对原子动量的依赖特性. 对动量和位置的方差研究表明, 原子的动量方差呈现压缩性质, 位置方差呈现放大性质.据此我们预言光晶格动量依赖偶极势中的单粒子态可能接近动量压缩线态. 研究结果还表明, 红失谐情况下原子的动量演化可分为三个过程: 第一个过程是慢减速过程, 初始动量较大的原子, 动量以近似阻尼振荡的形式衰减; 第二个过程是快减速过程, 当动量被减速到接近到光子动量时, 动量迅速减小到hk(Ω/γ)², 其中hk为光子动量, Ω为拉比频率, γ为原子波函数衰减函数; 第三个过程是原子被囚禁过程, 当原子动能被降低到小于势井深度时, 原子被囚禁在晶格波腹附近. 关键词： 动量演化 光晶格 压缩态     

主动型氢原子钟原子弛豫时间的测量和分析

氢原子钟的原子弛豫时间是原子系统经过选态去除基态超精细能级（F = 0,m_F = 0）态和（F = 1,m_F = −1）态原子后,部分氢原子从（F = 1,m_F = 0）态跃迁至（F = 0,m_F = 0）态直至原子系统达到平衡状态所需的时间,该参数反映了原子的寿命,并直接影响氢原子钟的稳定度指标.为了测量主动型氢原子钟的弛豫时间,进而评估其性能,通过Raspberry Pi（RPI）产生时序信号,控制数字衰减器和电离源供电电路的继电器,从而控制微波探测信号的开启和原子束流的通断,并与数据采集等电路组成了氢原子自由感应衰减测试系统.通过对采集的自由感应衰减信号建模拟合,测算了氢原子钟的弛豫时间.该方法对于评估和优化原子线宽,改进主动型氢原子钟稳定度指标具有重要的参考意义.     

计算自旋-s算子幺正演化矩阵ds(t)的新方法及其应用

提出了一种严格求解任意自旋-s算子幺正演化矩阵的方法,该方法不同于群论的方法和直接计算的方法,是一种间接的算法.方法的核心是利用两个系统表示的等价性：即自旋-s算子Hamiltonian量H_s=S_x与Heisenberg XX开链带相互作用J_n=n(N-n)的Hamiltonian量的等价性,由于存在这种等价性,自旋-s算子幺正演化矩阵的计算可通过Heisenberg XX开链中态的演化来实现.采用该方法计算了s=3/2,s=2和s=5/2时对应的幺正演化矩阵.由于初始态|sm〉在算子e^-itS_x下的演化实质上相当于对态|sm〉进行一个绕x轴转角为β＝t的转动,演化矩阵元d^s_m'm(t)=〈sm′|e^-itS_x|sm〉就是转动后的态e^-itS_x|sm〉在|sm′〉态上的投影值,所以在t＝π时刻的演化矩阵刚好对应Heisenberg XX开链上量子态的理想传输. 关键词： s算子')" href="#">自旋-s算子 幺正演化矩阵 量子态传输     

A new two-mode thermo- and squeezing-mixed optical field

We propose a new two-mode thermo-and squeezing-mixed optical field, described by the new density operator ρ=1-e~f-|g|~2 e~(ga~+b~+)e~(fa~+a)|0〉 f_(bb) 〈0| e~(g*ab), where |0〉_(bb) 〈0| is the b-mode vacuum, e ~(fa~+a)represents the thermo-field, and e~(ga~+b~+) indicates squeezing. The photon statistics for ρ is studied by virtue of the method of integration within ordered product(IWOP) of operators. Such a field can be generated when a two-mode squeezed state passes through a one-mode dissipation channel.     

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.     

二项-负二项组合光场态的光子统计性质及其在量子扩散通道中的生成

在组合二项-负二项分布的基础上, 提出了二项-负二项组合光场态, 这种态能在Fock态历经量子扩散通道的过程中实现. 导出了此光场的二阶相干度公式, g⁽²⁾(t) =2-((m²+m)/(m+κt²)), 发现随着时间的推移光场从非经典Fock态变为经典态, 光子数m 经扩散通道后变成了 m+κt, κ是扩散常数, 相应的光子统计从亚泊松分布历经泊松分布再变成混沌光; 初始Fock态的光子数越多, 则扩散所需的时间越长.     

掺Er3+碲酸盐玻璃的光谱性质与Judd-Ofelt理论分析

用高温熔融法制备了碲酸盐玻璃(70TeO₂-9B₂O₃-6Nb₂O₅-5Na₂O-10ZnO-1%(质量分数)Er₂O₃)样品。测试了玻璃样品的吸收光谱和荧光光谱。应用Judd-Ofelt理论计算了Er³⁺离子的谱线强度、自发辐射跃迁几率、荧光分支比、辐射寿命等光谱参数,并拟合了相应的强度参数Ω_t(t=2,4,6)(Ω₂=8.01×10^-20cm²,Ω₄=2.09×10^-20cm²,Ω₆=1.15×10^-20cm²)。结果发现该碲酸盐玻璃具有较大的Ω₂值,说明Er—O键的共价性强于它在硅酸盐、锗酸盐、氟化物、铋酸盐和磷酸盐玻璃中的共价性。Er³⁺在碲酸盐玻璃中⁴I_13/2→⁴I_15/2跃迁几率约为492s^-1,表明Er³⁺可能有较强的1.5μm发射。分析了Er³⁺在碲酸盐玻璃中能级⁴I_13/2→⁴I_15/2发射的荧光半峰全宽(FWHM=73nm),并应用McCumber理论计算了Er³⁺的受激发射截面(σ_e=1.08×10^-20cm²),发现其FWHM×σ_e远大于Er³⁺在铋酸盐、磷酸盐、锗酸盐和硅酸盐玻璃中的受激发射截面,说明碲酸盐玻璃是一种制备宽带光纤放大器的优良基质材料。     

Estimate of the gluon condensate from Monte Carlo calculations

Using existing Monte Carlo data we estimate the value of the gluon condensate φ = 0|(β(g)/g)F_μν²|0. Given the limitations of the method and the available data we find reasonable agreement in both sign and magnitude with the value needed in QCD sum rule calculations.     

Optical pumping with laser-induced-fluorescence

We describe a new procedure for optical pumping that is based on laser-induced fluorescence (LIF). The procedure is demonstrated by optically exciting a sample of Rb⁸⁵ atoms, which then creates a population imbalance between the ground state hyperfine levels of Rb⁸⁷ by “LIF depopulation pumping”. Though optical pumping with this technique increases the intensity dependent light-shift coefficient (i.e., ac Stark shift) of the Rb⁸⁷ 0-0 hyperfine transition, it reduces the frequency dependent light-shift coefficient by at least an order of magnitude. Since the stabilization of the diode laser wavelength is a significant challenge in the development of laser-pumped gas-cell atomic clocks, it is anticipated that optical pumping with LIF will be of benefit to atomic clock technology.     

Analysis of the blackbody-radiation shift in an ytterbium optical lattice clock

We accurately evaluate the blackbody-radiation shift in a171 Yb optical lattice clock by utilizing temperature measurement and numerical simulation. In this work. three main radiation sources are considered for the blackbody-radiation shift, including the heated atomic oven, the warm vacuum chamber, and the room-temperature vacuum windows. The temperatures on the outer surface of the vacuum chamber are measured during the clock operation period by utilizing seven calibrated temperature sensors. Then we infer the temperature distribution inside the vacuum chamber by numerical simulation according to the measured temperatures. Furthermore, we simulate the temperature variation around the cold atoms while the environmental temperature is fluctuating. Finally, we obtain that the total blackbody-radiation shift is -1.289(7)Hz with an uncertainty of 1.25×10~(-17) for our ~(171)Yb optical lattice clock. The presented method is quite suitable for accurately evaluating the blackbody-radiation shift of the optical lattice clock in the case of lacking the sensors inside the vacuum chamber.     

糖的原子电距矢量表达及其核磁共振碳谱模拟

提出以原子电性距离矢量(VAED),描述上百种糖分子中数百个不同等价碳原子的化学环境;并结合γ效应校正,建立核磁共振碳谱(¹³C NMR)化学位移(CS)的五参数线性模型.用于糖分子中四类不同的等价碳原子化学位移的估计,复相关系数R和均方根误差RMS及标准偏差SD和F-统计量F分别为:伯碳n=62,R=0.991 0,RMS=1.960 2(SD=1.9762,F=5 0 2.32 94,EV=0.980 5);仲碳n=79,R=0.9886,RMS=2.5 40 5(SD=2.5 5 67,F=5 1 5.60 4 6,EV=0.975 7);叔碳n=30 2,R=0.95 1 4,RMS=3.6884(SD=3.694 5,F=4 68.82 76,EV=0.90 35)及季碳n=1 4,R=0.5 772,RMS=8.862 6(SD=9.1 972,F=0.5 82 8,EV=-0.0 837).经交互校验,伯仲叔碳的化学位移模型稳定性较好.并综合几种处理方法,找到一种较好的建模方法,将它用于几个外部样本的定量预测,结果良好.