小型化锶光钟物理系统的实验研究

发布时间：2020-06-13 00:18

【摘要】：光晶格锶原子钟测量精度已达到10~(-19)量级,是当前世界上精度最高的原子钟,并有望成为新一代时间频率基准。为了更好地开展以光钟为基础的前沿科学技术研究、基础物理实验以及其他应用,将高精度锶光钟与空间站独有的微重力环境相结合研制空间冷原子锶光钟成为一个新的研究方向。鉴于光钟系统组件较多,错综复杂且自身体积庞大,同时受空间站特殊环境条件限制,最终要完成空间冷原子光钟的研制,目前面临的第一个挑战就是将整个光钟系统进行小型化设计。本文围绕小型化锶光钟物理系统的研制目标展开,实验上已经成功实现了锶光钟物理系统的小型化研制。实验设计采用了真空内加热锶Dispenser作为产生原子束的装置,成功实现了高束流密度、低功耗和小体积的锶原子源。同时设计了多组份独立型通电线圈式塞曼减速器并测试了其减速效率,其可将16.4%的原子减速至75 m/s。创新性地设计并实现了真空腔内置反亥姆霍兹线圈,实验中其产生轴向磁场梯度43 Gs/cm,单个线圈功耗低于0.5 W,且线圈之间距离极大地缩小。利用该线圈构成的磁光阱不仅体积小、质量轻,而且实验过程中所需电流小,功耗低。最终使光钟物理系统体积极大地缩小,初步完成的小型化锶光钟物理系统体积约为地面实验室锶光钟物理系统体积的1/10。基于小型化锶光钟物理系统,实验上成功实现了锶原子的一级Doppler冷却。通过荧光收集法测得~(88)Sr冷原子团的原子数目为1.6×10~6,短程飞行时间法测得其温度约为10.6 mK。同时还对其他锶同位素原子团进行了观测,测得~(87)Sr原子数目为1.5×10~5。此外,研究了707 nm和679 nm重泵浦激光对锶冷原子装载效率的影响,结果重泵浦激光的加入使得俘获冷原子数目增加约5倍。设计实现了环型永磁体塞曼减速器并测试了其性能,同时对可能影响其减速效率的因素:减速光失谐、锶炉温度、减速光功率进行了研究。此外,利用多组份独立型通电线圈式塞曼减速器进行了最小减速器长度以及减速器最优化磁场分布的研究。实验当减速器长度处在8~12 cm范围内时,最终俘获冷原子数仍在10~6量级,约占原子总数的11%。同时实验测得最优化磁场分布曲线可对重新研制永磁体型塞曼减速器提供指导。
【图文】：

图 2.2 锶光钟的真空物理系统示意图整个真空物理系统放置在一个3 m × 1.2m的光学平台上，使用多根无磁不锈钢立柱支撑并固定在光学平台上，体积约为150 cm × 50 cm × 40cm。系统由 10 个主要部件构成。在图 2.2 中，部件 1 为光钟系统的锶原子产生装置，通常也称为锶原子炉，，它为系统提供高纯度的锶原子样品。由锶炉直接产生的锶原子束速度较高实验上将锶炉设计成弯折型结构可使得喷出的锶原子束更加稳定。如图 2.3 所示，其采用不锈钢管制成，全长 15 cm。图 2.3 锶炉结构示意图

塞曼减速器，全长 38cm，由 10 组大小完全相同的独立无磁钢板隔开。每个线圈均使用铜线进行绕制，铜线直径15 层 450 匝，且 10 个线圈分别接 10 个对应的稳压电源独立、快速的磁场调节，便于不断优化各个线圈的磁场大减速效率。该减速器可以使锶原子速度从 500m/s 减小至低却原子的要求。 为锶光钟物理系统的核心部分真空腔，真空腔是最终俘探测的场所。如图 2.4，真空腔体采用 314 不锈钢材料制成平方向有 12 个窗口，竖直方向上下各一个，共有 14 个验中俘获及冷却激光由各个窗口射入腔内共同和锶原子减速器进入真空腔的部分锶原子仍具有较高的速度，为了在窗口形成镀膜，实验过程中对和减速器相对的钛宝石窗
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM935.115

【参考文献】

相关博士学位论文 前1条

1 高峰;锶光钟的原子冷却及互组跃迁谱线测量[D];中国科学院研究生院（国家授时中心）;2014年

相关硕士学位论文 前1条

1 田晓;锶光晶格钟一级冷却的实现[D];中国科学院研究生院（国家授时中心）;2010年

本文编号：2710327