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     

准二维各向同性激光冷却的光场仿真

在各向同性激光冷却原子实验中,光场分布是影响冷原子分布的重要因素,可以利用真空腔的结构和激光的注入方式的不同来调控腔内的冷原子分布。本文提出了一种扁平形漫反射腔体结构,并对冷却光的不同注入方式和不同尺寸的腔体结构形成的光场分布进行了仿真。仿真结果表明,与自由空间光入射相比,激光由光纤入射能够获得更均匀的准二维分布的光场,因此可以通过调节光纤的入射角度及光纤参数,实现对光场均匀度的优化。此外,随着腔体边长的等比放大,腔内光功率密度呈负指数幂衰减。扁平形漫反射腔形状接近二维,在准二维分布的光场和特殊的扁平形腔体结构的作用下,能够获得呈准二维分布的冷原子,在量子传感及量子精密测量领域具有重要的应用前景。     

锶原子Doppler冷却中再抽运光对原子俘获影响的理论和实验研究

本文主要研究锶原子光钟Doppler冷却过程中再抽运光对俘获冷原子参数的影响,实验上测得再抽运光光强和失谐跟所俘获原子数目的关系,并且测得了在同时注入再抽运光707 nm和679 nm后使俘获冷原子的数目提高了17倍,分析了再抽运光的失谐对俘获原子数目的影响,测得了再抽运光707 nm在失谐5 MHz的情况下俘获原子数目的波动小于3‰. 关键词： 光频标 激光冷却与俘获 原子俘获率     

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。     

注入原子相干性对双模MAZER的影响

首先简单介绍超冷原子注入的微脉塞(MAZER)的基本理论和研究进展,然后具体介绍我们目前关于超冷V型三能级原子注入的双模微脉塞(双模MAZER)的研究工作.我们研究了原子相干性对这种双模MAZER系统中原子的发射几率和原子通过腔的透射几率的影响.结果表明,原子的发射几率随腔长变化的曲线中存在共振峰和非共振平台;当两个模的耦合强度之比一定时,不同注入原子相干性对应的发射几率共振峰呈现出相当大的区别.在原子透射几率随原子动量的变化曲线中也存在共振峰和非共振平台.腔长对原子的速度具有选择性,当腔长给定时,通过适当选择原子的相干参量,可调节原子通过腔的透射几率,从而可对原子的速度进行选择.     

激光冷却气体原子研究的起步阶段

文章记述了开展激光冷却气体原子研究的起步阶段,描述了推动文章作者从原子钟研究走向激光冷却气体原子研究的动力.在研究初期阶段,文章作者着重思考了激光冷却气体原子物理机制,如:积分球红移漫反射激光冷却气体原子的设想和利用光频移效应(交流斯塔克效应)激光冷却气体原子的物理思想.文章还描述了作者所在实验室用于激光冷却原子研究的原子束实验装置,并展示了几个物理实验结果.最后,文章还总结了经验和教训,深感起步艰辛和今日可贵,期盼光辉的未来.     

用于冷原子干涉仪的低相噪信号源设计

冷原子干涉实验中涉及复杂的激光调制技术,为调制器提供合适的射频驱动信号至关重要,驱动信号的相噪直接影响了冷原子干涉仪的灵敏度。设计了一种能够产生6.834GHz信号的低相噪信号源,该信号源采用二级锁相环频率合成技术,将恒温晶振输出的10MHz信号倍频到100 MHz,再将100 MHz信号倍频到7 GHz,最后与外部DDS芯片产生的166 MHz信号混频实现6.834 GHz微波信号源。经过测试,信号源的输出相位噪声为-61.9dBc/Hz@1Hz,满足冷原子干涉实验的需求。     

中国计量科学研究院实现74cm高的冷原子喷泉

用磁光阱和光学粘胶方法制备超冷原子样品 ,把原子冷却到绝对零度附近 (～ 10 - 6 K) ,随后赋予其一定的向上运动速度 (例如几米 /秒 ) ,让原子只在重力场作用下作弹道运动飞行 ,便形成冷原子喷泉———原子上升到一最高点然后散落下来 .这种原子喷泉首先在改进原子钟性能上获得重要应用 :在原子弹道飞行的路径上设置微波谐振腔 ,应用冷原子与微波辐射场相互作用产生的谐振信号 ,将使原子钟的准确度至少提高一个数量级 .1995年以来 ,法国、美国和德国相继研制成功铯原子喷泉钟 ,现在达到的频率不确定度约为 2× 10 - 15,相当于走时两千万年…     

基于原位探测的空间冷原子钟的性能分析

在空间微重力环境下,应用激光冷却技术的空间冷原子钟有望获得更高精度的时间频率基准。提出了一种基于原位探测的新型空间冷原子钟方案,在开展冷原子俘获、冷却、选态、两次微波探寻与量子态探测等过程中,冷原子都保持在微波腔中,这种设计可以使单个原子钟的周期更短,微波探寻过程有更大的时间占空比,也能使原子钟的整体结构更加紧凑。在使用Boitier a Vieillissement Ameliore (BVA)晶振作为本振的条件下,从Dick效应与量子投影噪声两方面对原子钟的稳定度进行分析预估,然后分析了影响冷原子钟不确定的来源与估值,结果表明:基于原位探测的空间冷原子钟有望达到5.9×10~(-14)τ~(-1/2)的稳定度以及1×10~(-16)的不确定度,该结果优于当前使用BVA晶振作为本振的其他冷原子微波钟的性能。     

超冷V型三能级原子注入的微脉塞的光谱性质

建立了超冷V型三能级原子注入的微脉塞的量子理论。首先推导出腔场约化密度算符随时间演化的主方程，并由此出发着重研究了微脉塞腔场的光谱性质。结果表明，与用超冷二能级原子或用热的二能级和三能级原子注入的微脉塞的光谱相比，用超冷V型三能级原子注入的微脉塞具有新的光谱性质，对某些腔长，线宽可被突然加宽，腔场也发生大的频移，不同的原子相干性甚至可以使腔场频率发生方向相反的频移。另一方面，原子质心动量对光谱也有影响，表现在线宽和频移随质心动量减小而减小。     

喷雾腔压力及喷嘴孔径对相变喷雾冷却性能的影响

为了满足大功率激光器件高热流密度及低表面温度的冷却需求,以R22为冷却工质,实验研究了在闭式系统中改变喷雾腔压力及喷嘴孔径对相变喷雾冷却中临界热流密度、冷却温度等冷却性能的影响,实验结果表明:在喷雾入口压力为0.8 MPa,喷雾高度为22 mm,入口温度为-3 ℃的实验条件下,当喷雾腔压力在0.2~0.4 MPa范围内变化时,随着喷雾腔压力的升高,临界热流密度值（CHF）先增大后减小,存在最优的临界热流密度,冷却壁面温度随着喷雾腔压力的升高而上升;当改变喷嘴孔径时,CHF存在最优值,过小及过大的孔径均会影响喷雾冷却性能;当喷嘴孔径为 0.4 mm,喷雾腔压力为0.34 MPa时, CHF值最高,为276.1 Wcm-2,其对应的被冷却表面温度为26.8 ℃,表面换热系数为 66 640 Wm-2K-1。     

冷原子系综的光学厚度对腔增强量子存储读出效率的影响

本文在⁸⁷Rb冷原子系综中开展了腔增强量子存储,研究了光学厚度对读出效率的影响。我们通过改变冷却光的失谐量得到了原子系综不同的Optical Depth(OD),测量了读出效率随着原子系综光学厚度的变化。结果显示：当冷却光处于负失谐18.5 MHz的情况时,可使冷原子系综的OD达到最大值14,读出效率的增强倍数为1.6倍,本质恢复效率最大可达43.2%。     

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.     

腔损耗对规则注入单原子微激光的影响

用解密度矩阵主方程的方法研究了在原子与场相互作用期间考虑腔损耗情况下规则注入的单原子微激光。通过数值模拟给出了有损耗情形注入率r与腔损耗系数c之间应满足的阈值条件，并讨论了不同腔损耗对稳态光子数分布和平均光子数的影响。     

~6Li原子跃迁频率和超精细分裂的精密测量

本文实现了可用于锂原子频率精密测量的冷原子系统,获得了大数目的原子样品;利用西西弗斯冷却和速度选择相干布居俘获实现了~6Li的冷原子的灰色黏胶冷却,原子的温度被冷却到多普勒冷却极限以下,达到50μK;利用光学频率梳,实验上测量了D1线的跃迁频率和超精细分裂,测量结果和理论计算相接近,可以和目前最精确的测量相比较.这些测量为进一步的轻质量原子频率的精密测量、α常数以及核半径的精确标定打下了基础.     

积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法EI北大核心CSCD

提出了一种积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法。该方法通过周期性地监测冷原子的吸收信号,利用反馈控制冷却激光内声光调制器的衍射效率并改变冷却光功率,实现冷原子数的稳定。推导了冷原子数稳定系统的环路方程,分析了稳定环路对冷原子数涨落的抑制作用。稳定后冷原子数的归一化涨落为1±0.001(3h),其功率谱密度在0.001~0.2Hz频率范围内的最大抑制量约为30dB。该涨落被抑制的原因主要是稳定环路除了直接补偿冷却光激光器输出的光功率变化外,还纠正了外界环境引起的冷原子数漂移。冷原子数稳定之后,由冷原子数涨落引起的原子钟频率稳定度可降低至7×10^(-14)τ^(-1/2)(τ为积分时间)。     

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.     

积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法

提出了一种积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法。该方法通过周期性地监测冷原子的吸收信号,利用反馈控制冷却激光内声光调制器的衍射效率并改变冷却光功率,实现冷原子数的稳定。推导了冷原子数稳定系统的环路方程,分析了稳定环路对冷原子数涨落的抑制作用。稳定后冷原子数的归一化涨落为1±0.001(3h),其功率谱密度在0.001~0.2Hz频率范围内的最大抑制量约为30dB。该涨落被抑制的原因主要是稳定环路除了直接补偿冷却光激光器输出的光功率变化外,还纠正了外界环境引起的冷原子数漂移。冷原子数稳定之后,由冷原子数涨落引起的原子钟频率稳定度可降低至7×10~(-14)τ~(-1/2)(τ为积分时间)。     

采用消逝波干涉的二维表面微光阱阵列

提出了一种采用两套超大红失谐消逝波干涉和一束蓝失谐消逝波光场来实现原子二维表面微光阱阵列和原子有效强度梯度冷却的新方案,得到了二维表面微光阱阵列的光强分布和光学势分布.研究发现,二维表面微光阱阵列中微光阱的光学势能够有效地囚禁从标准磁光阱中释放的冷原子,并且被囚禁的冷原子能在蓝失谐消逝波光场的作用下产生有效的强度梯度Sisyphus冷却,对⁸⁷Rb原子而言,原子温度能被冷却到2.56μK.该方案在冷原子物理、原子光学和量子光学领域中有着广阔的应用前景. 关键词： 消逝波干涉 微光阱阵列 原子囚禁 强度梯度冷却     

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. 