铷原子气体自旋噪声谱的测量与改进

利用自主设计并制作的基于现场可编程门阵列的实时傅里叶变换采集卡(FFTsDAC),采用线偏振光检测碱金属铷原子气样品中的自旋随机涨落(即自旋噪声谱).详细讨论了背景噪声以及自旋噪声随探测光光强的变化关系,证实了自旋噪声来自于系统中自旋的随机涨落.对比了两种FFTsDAC(8 bit采样的FFTsDACl和12 bit采样的FFTsDAC2)的测量性能,分析了影响实验信噪比的因素.FFTsDAC2具有更高的测量效率和采样深度以及更长的单次采样时间,因而具有更高的信噪比和更好的频率分辨率,与数值模拟的结果一致.     

铷原子系综自旋噪声谱实验研究

自旋噪声谱是一种测量自旋涨落的光谱技术,由于无扰动的测量机制,其光谱信号非常微弱.本文基于含有一定压力的缓冲气体的天然丰度铷原子气室,搭建了无外磁干扰的铷原子系综自旋噪声谱测量装置,获得了微弱的铷原子系综自旋噪声谱信号,实现了对铷原子系综自旋特性的测量与表征.研究了探测光光强、频率失谐量、铷原子数密度等参数对自旋噪声谱信号的影响.自旋噪声谱信号的积分与探测光光强的平方成正比,光强会展宽自旋噪声谱的半高全宽.自旋噪声谱信号的积分依赖于探测光的失谐量,共振处呈现凹陷,这是由一定压力的缓冲气体的充入引起均匀展宽所导致.自旋噪声信号的积分与原子数密度的1/2次幂成正比.本研究有助于铷原子自旋噪声谱技术应用于磁场的精密测量等方面,也为高信噪比、小型化铷原子自旋噪声谱测量系统的研制提供了参考.     

微米气室铯原子自旋噪声谱

利用自旋噪声谱技术研究了无缓冲气体133Cs原子气室的自旋动力学和展宽机制.在宏观原子气室中,自旋弛豫速率失谐频率谱的线型为高斯分布;在空间局域较强的微米气室中,自旋弛豫速率失谐频率谱的线型为洛伦兹分布.实验测量得到的自旋弛豫速率失谐频率谱的展宽约4 GHz,明显大于宏观原子气室中约度强烈依赖于激光相对于原子共振跃迁的频率失谐;在微米气室中,由于较强的均匀展宽,总噪声的失谐频率谱中心处出现明显的凹陷.通过建立简化的物理模型来计算微米气室的展宽机制,在实验与理论中解释了原子的均匀展宽特性.     

铷激射器中铷原子的弛豫率和光抽运率的测量与分析

同时利用脉冲和连续波运转两种方法。测量了铷激射器中铷原子由碰撞导致的在基态子能级间的弛豫率和光抽运率,得到了相互一致的效果。考察了较密原子蒸汽时总弛豫率和先抽运率与原子密度的关系,给出由了振动阈附近的激射器频率推算原子密度的新方法。     

铷原子频标鉴频信号信噪比相关问题分析

频率稳定度是铷原子频标最重要的性能指标. 铷频标频率稳定度主要由原子鉴频信号的信噪比决定. 本文分析了微波腔的结构、铷光谱灯的光谱纯度和同位素滤光方案对信噪比的影响,指出采用模式优越、微波填充因子大的微波腔,光谱纯度高的铷光谱灯,用分离滤光方法进行同位素滤光,可以提高铷原子鉴频信号的信噪比,从而使铷频标的稳定度指标得到进一步改善.      

铷离子-铷原子混合阱飞行时间谱的拟合和仿真模拟

离子-原子混合阱是研究带电粒子-中性粒子低温反应的理想平台,直接甄别反应产物最准确的方法是带电粒子飞行时间谱,飞行时间谱峰的强度、位置(飞行时间)和宽度给出了相应带电粒子的强度和动能(温度)等信息.本文通过分析和模拟铷离子-原子混合阱中的飞行时间谱,获得了不同荷质比的离子绝对强度和温度等信息.具体说,首先使用Gumbel型极值分布函数飞行时间谱的谱峰,获得谱峰强度、位置和宽度等信息.然后对实验建模得到耦合的原子数和总带点离子的速率方程,用这些速率方程拟合实验数据,并结合实验测量到的绝对原子数,获得绝对的离子数强度.由此提供了一种标定探测器(本文使用的是微通道板)的方法.改变电离激光的波长和强度得到的标定因子是一致的,表明了这种方法的可靠性.此外,利用COMSOL Multiphysics模拟实验的飞行时间谱,仿真模拟结果表明离子动能大,谱峰宽度窄.本文对飞行时间谱的强度和宽度分析为冷原子光电离过程的离子-原子反应碰撞和带电粒子温度弛豫奠定了基础.     

基于铷原子双光子跃迁的原子谱线展宽机制教学演示

测量原子光谱是揭示微观粒子微观结构与运动规律的重要手段，因而从本科到研究生阶段都会涉及到相关领域的教学，特别是光谱的相关教学。然而，由多普勒效应等引起的非均匀展宽及原子碰撞等引起的均匀展宽极大限制了谱线的分辨精度。在科学技术的发展中，为了获得更高的分辨精度，消除原子谱线的展宽成为重点研究方向。而在相关教学方面，碱金属原子体系由于其优异的能级特性，成为了研究展宽机制的有效途径。而在目前的本科教学中，缺乏除对多普勒展宽以外的多种原子谱线展宽机制的演示。因此，本文利用铷原子5S_1/2→5P_3/2→5D_5/2双光子跃迁谱线，测量改变激光功率、原子池温度等条件下引起的原子谱线半宽变化，验证双光子跃迁的同时，重点演示了原子谱线展宽的机制以及谱线半宽的测量方法。通过本实验，本科生一方面可以掌握原子谱线展宽与双光子跃迁的相关知识，以更深刻地理解了理论知识的内涵，另一方面通过自主搭建实验仪器锻炼了本科生的动手能力，对提升物理专业本科学生的素养尤为重要。本文所展示的实验装置简单，易于搭建，适合课堂演示和实验教学。     

表面原子的自旋

原子物理和固体物理作为物理学的两个分支几乎是平行发展的。原子物理始于20 世纪20 年代,主要致力于理解气相中原子的光学和磁学性质;而固体物理是在研究材料纯化的过程中成长起来的,并导致了今天的电子器件。这两个领域实验和理论的概念通常大相径庭。如前者通过量子自旋态来描述磁性,而后者是通过能带的形成来解释固体的磁性。     

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.     

铷-氙气室原子磁力仪系统磁场测量能力的标定

本文针对微弱磁场精密测量问题,在自主研制的铷-氙气室原子磁力仪系统上,探讨了两种磁场测量的方式,分别实现了对交流磁场与静磁场的测量,并对它们的磁场测量能力进行了实验标定.交流磁场测量原理是基于测量外磁场对~(87)Rb原子极化的影响,实验标定结果为在2100 Hz频率范围内磁场测量的灵敏度约为1.5 pT/Hz~(1/2),带宽约为2.8 kHz;静磁场测量原理是基于测量铷-氙气室内超极化~(129)Xe的拉莫进动频率,实验上首先测得超极化~(129)Xe的横向、纵向弛豫时间分别约为20.6和21.5 s,然后通过标定给出静磁场测量精度约为9.4 pT,测量范围超过50μT.相比无自旋交换弛豫原子磁力仪,该磁力仪在同一体系内实现了交流磁场与静磁场的测量,且交流磁场测量具有更大的带宽,静磁场测量可在地磁场下正常工作,将有望应用于地磁测量、基础物理等方面的研究.     

钯原子谱线的分支比测量

运用钯元素空心阴极灯和高分辨率光栅单色仪测量了钯原子4d⁹6s和4d⁹5d组态的7个偶宇称能级的发射光谱,确定了这些能级向4d⁹5p组态能级跃迁产生的15条谱线的跃迁分支比.本文大部分结果是对文献中钯元素原子相关光谱参数的重要修正. 关键词： 原子光谱 钯原子 分支比 空心阴极灯     

自旋极化电子原子碰撞激发Stokes参量测量研究

本文简要回顾了自旋极化电子与原子碰撞激发过程Stokes参量测量的研究进展。介绍了Stokes参量测量的理论基础、实验装置及测量方法,通过对典型测量结果的描述,揭示了积分Stokes参量测量研究的物理意义。     

自旋极化电子原子碰撞激发Stokes参量测量研究

本文简要回顾了自旋极化电子与原子碰撞激发过程Stokes参量测量的研究进展。介绍了Stokes参量测量的理论基础、实验装置及测量方法，通过对典型测量结果的描述，揭示了积分Stokes参量测量研究的物理意义。     

气体雪崩放电的单光子测量时间谱

用单光子时间分辨测量技术,研究了伴随有限正比、自猝灭流光(SQS)和G-M三种放电模式光发射的时间特性.结果表明:SQS相对于原初雪崩有一段时间延迟,约几到十几ns,流光的持续时间在10—30ns范围,且与猝灭气体浓度和工作电压有关;伴随G-M雪崩时的光脉冲持续时间长达约1μs,而有限正比只有4ns.本文还清楚地显示了三种模式雪崩放电过程特征的区别.     

噪声间关联对原子激光谱密度的影响

在描述原子激光强度的速率方程中，考虑了量子噪声和热噪声、以及它们的关联以后，计算了原子激光的关联函数和功率谱密度。发现不仅噪声对原子激光的统计性质有影响，而且，噪声间的关联会使得原子激光的谱密度发生从单峰到双峰、或三峰的相变。这种相变可以用凝聚体干涉条纹间距的变化来观察。进一步又讨论了噪声的关联时间对原子激光谱密度的影响。     

约束冷原子气体的高增益Raman散射光谱

本文研究了不同外部环境中原子气体在强激光抽运下的相干Raman散射光谱, 通过对固定无反弹原子气体(不考虑外部自由度)和自由原子气体增益光谱的理论计算, 得到了和Mollow实验结果基本一致的光谱曲线.通过与Mollow谱线结构的比较, 揭示了在微阱约束情况下原子气体存在不同于以上两种环境的高增益光谱, 该谱线直接反应了约束阱的性质, 谱线呈等间距梳状结构, 谱线尖锐分辨率高, 和传统的冷原子气体散射增益光谱的实验结果相比较有更大量级的光增益现象. 论文还分析了散射谱线增益的物理机理, 清晰地给出了约束情况下原子增益谱线的非线性Raman共振条件.     

超声清洗装置空化噪声谱分析法空化噪声级测量

空化强度是用以衡量液体介质中空化活动的剧烈程度,同时空化效应在超声清洗中起关键作用,因此,测量超声清洗槽中的空化强度便可了解其中空化活动的情况.当发生空化时,液体介质中会产生成分复杂空化噪声,对空化噪声谱进行分析和计算得到空化噪声级,据此可判断空化强度.实验测得结果表明:超声清洗装置内稳态空化分布广泛、均匀,瞬态空化分...     

He原子电离能谱和He的ls电子动量谱测量

介绍利用作者最近研制成功的先进的多功能（ｅ，２ｅ）电子能谱仪实验装置研制量得到的Ｈｅ原子电离能谱和Ｈｅ的ｌｓ电子动量谱实验结果。     

积分球内的铷原子激光冷却

研究了积分球内激光冷却原理,设计积分球时对积分球的反射率、尺寸及球上开孔大小对于激光冷却的影响进行了讨论. 进行了积分球冷却⁸⁷Rb实验,实验结果表明积分球有效的冷却了球腔中的铷原子,获得了积分球内冷原子的吸收信号以及冷原子随冷却光失谐的变化曲线. 关键词： 漫反射光场 积分球 全光冷却     

一种铷原子钟超高信噪比物理系统的研究

在卫星导航、深空探测等尖端技术应用的需求牵引下,谱灯抽运铷原子钟的性能有了很大提升,其短期频率稳定度已达到小系数10^-13τ^-1/2水平.为能进一步提高铷钟稳定度并探索铷钟性能指标极限,本文在前期对物理系统(Φ40微波腔)结构的重新设计及实验验证的基础上,通过对物理系统的光学系统全面优化设计,改善了光谱灯及抽运光的性能,最终使物理系统信噪比获得了明显提升.测试及分析评估结果表明,新设计的物理系统的散粒噪声对铷钟稳定度的贡献为4.2×10^-14τ^-1/2,本文的研究结果为今后铷钟短稳实现5×10^-14τ^-1/2、长稳突破1×10^-15进入～10^-16奠定了基础.