影响镁-铝离子光频标系统不确定度主要因素的研究

发布时间：2020-04-15 08:54

【摘要】：时间是测量精度最高的物理量,在各个领域都有着广泛应用。现有时间的定义是基于133Cs原子基态的超精细能级跃迁,不确定度为10-16量级。伴随着飞秒光梳的发明,使得光频标研究得到突飞猛进的发展。近些年很多光频标的系统不确定度己经进入10-18量级,甚至部分进入了 10-19量级。这些进步对基础物理的研究有着深远的影响,比如精细结构常数α的测量、相对论效应的验证等。铝离子1S0-3P0的跃迁只有8 mHz的自然线宽,而且在众多离子中对环境影响比较不敏感。钟跃迁上下能级的极化率比较接近所以具有较小的斯塔克(Stark)频移,包括光频移和黑体辐射频移。没有电四极矩频移,塞曼频移较小等优势使得铝离子光频标的多项影响不确定度都达到了 10-19量级。我们课题组开展了基于量子逻辑技术的镁-铝离子光频标的研究,本论文介绍了本人博士期间在镁-铝离子光频标研究方面的主要工作,它们包括:1.在实验和理论上研究了镁离子基态能级极化率。理论上利用二阶微扰理论计算了镁离子基态能级的极化率。镁离子在拉曼(Raman)光的作用下会产生光频移,会影响拉曼边带冷却的效果,因此需要精确测量。实验上利用微波共振实验比较不同跃迁的光频移从而测量得到镁离子基态能级极化率的标量和矢量分量的大小,测量结果在误差范围内与理论计算吻合。2.提出了利用镁离子荧光和探测光偏振的关系原位(in-situ)测量真空窗口偏振效应的方法,并进行了实验验证。该方法可以简单、快速、高精度地原位测量真空窗口双折射效应。真空窗口双折射效应会影响透射光的偏振纯度,从而影响镁离子、铝离子精密测量的精度。如何原位测量真空窗口双折射效应一直是个难点。我们理论上模拟了镁离子荧光和激光偏振度的关系,提出利用镁离子荧光测量激光偏振度的方案。实验上利用穆勒(Mueller)矩阵对窗口偏振效应进行计算,获得窗口偏振度与补偿波片角度的关系。实验结果表明,在最佳波片角度组合情况下透射光偏振度好于0.999。利用测量的真空窗口双折射效应结果,对铝离子跃迁激光的偏振度进行了对应的纯化。3.利用实验测量的参数对现有系统中影响系统不确定度的主要影响因素进行了初步评估。利用拉曼边带带跃迁信号评估了微运动频移和宏运动频移,其不确定度分别达到了0.3 × 10_18和0.1 × 10_18。利用微波共振测量了镁离子基态塞曼能级的0→0和2→3的跃迁受磁场影响,评估了离子阱中心的磁场,包括直流分量和交流分量,进而评估了铝离子的二阶塞曼频移,其不确定度达到1.0×10-17。利用软件模拟仿真了离子阱中心处的温度场,并计算得到直流极化率,结合二者的结果预测黑体辐射频移的不确定度达到1.0 × 10-19。除了以上几点本人独立的工作之外,本人与小组成员合作搭建了实验系统,包括真空系统、离子阱系统和光路系统。参与设计和实现真空度好于10-8 Pa的真空系统,实现了镁-铝离子的长时间囚禁。在本组前期工作的基础上对离子阱共振器进行了改进,提高了共振器的Q值及稳定度。光路系统中主要负责四倍频激光器的维护和280纳米激光器频率的锁定,保证其频率和功率满足实验需求,确保系统的稳定运行。在此基础上全程参与了镁离子的多普勒冷却、镁-铝离子对拉曼边带冷却、铝离子逻辑谱和钟跃迁谱线的探测工作。
【图文】：

示意图,稳定度,准确度,示意图

图 1-1 稳定度和准确度示意图准确度描述原子跃迁频率与真实频率也就是频率的“真值”之间的差异。原子所处环境会影响所测谱线的频率，其中主要影响因素包括：运动频移、光频移、黑体辐射频移、塞曼频移、引力红移等。不同原子之间其谱线性质不同会导致主要影响因素

频率稳定度,噪声,光频标,原子频标

图 1-2 各种噪声对频率稳定度的影响量子投影噪声的光频标稳定度表示为[6]： ② ③ ② / ③ ，其比，是原子数，，是测量时间。光频标由原子种类不同分为离子频子频标的离子数目一般为单个，原子频标利用光晶格可以囚禁几百
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH714

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