氢原子钟双选态束光学系统仿真分析

氢原子钟利用氢原子基态超精细能级跃迁信号进行精确计时,具有中短期频率稳定度优异、频率漂移率低的特点.氢原子钟需要通过磁选态将高能态原子选出,目前广泛应用的磁选态方案中,既有原子钟跃迁所需要的|F=1,mF=0>态,还有钟跃迁所不需要的|F=1,mF=1>态氢原子,这使得氢原子钟的中长期频率稳定性难以进一步提高.为了进一步提高氢原子钟原子跃迁谱线质量和整机性能,通过计算和仿真,构建了基于Majorana跃迁的氢原子钟双选态束光学系统,优化了一级选态区、态反转区、二级选态区等关键部件的参数,进一步排除了|F=1,mF=1>态原子.选态后的|F=1,mF=0>态原子纯度达到99%,利用率为58%,工程应用较为理想.有效地提升了进入原子储存泡内|F=1,mF=0>态氢原子的占比,同时原子的利用率处于可控范围.通过实验对该方案的有效性进行了验证,通过开启双选态系统,可以观察到氢原子钟信号的增强;通过调整双选态系统的线圈电流,可以观察到信号随线圈电流的变化,这验证了双选态系统的有效性.     

脉冲微波激发氢原子Ramsey干涉研究

该文开展利用Ramsey干涉现象设计被动型氢原子钟的可行性研究. 该方案的核心是用脉冲微波激励氢原子发生共振跃迁. 通过理论计算确定了关键参数,研制了脉冲微波发生电路. 利用现有的被动型氢原子钟的物理部分,成功观察到氢原子共振跃迁的Ramsey干涉,将原子跃迁谱线宽度从原来的3 Hz压缩至1.2 Hz. 这为进一步提高被动型氢原子钟的稳定度指标提供了一种新思路.     

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.