NTSC-F1铯原子喷泉钟性能改进及二阶塞曼频移研究

发布时间：2020-08-13 03:21

【摘要】：时间是度量物质运动的基本参量,也是物理量中测量精度最高的。“秒”是时间单位,1967年第十三届国际计量大会通过了基于铯原子的“原子秒”定义:位于海平面上的铯-133(~(133)Cs)原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9192631770周期所持续的时间为一个原子时秒。能够复现上述“秒”定义的基准装置是铯原子喷泉钟。“秒”定义的频率是指海平面处无干扰的铯133原子两个超精细能级之间的跃迁频率,实际环境中受到外部物理效应的影响以及内部原子间的相互作用,原子的谐振频率并不等于“秒”定义对应的频率值,原子的谐振频率相对于秒定义的偏离称为“频移”,这些频移的不确定度是表征铯原子喷泉钟性能的最重要指标。中国科学院国家授时中心产生和保持国家标准时间UTC(NTSC),而本地原子时TA(NTSC)的准确度依赖于滞后一个月的国际计量局的时间频率公报。自主研制铯原子喷泉钟可以实现实时标校TA(NTSC),提高国家标准时间UTC(NTSC)的性能。本文围绕改进铯原子喷泉钟NTSC-F1的性能——频率稳定度和频率不确定度展开研究,对影响铯原子喷泉钟的各项噪声源的物理机制进行了分析,发展了提高飞行时间信号信噪比的技术,提高了NTSC-F1的频率稳定度;同时,开展了铯原子喷泉钟NTSC-F1主要频移项二阶塞曼频移的评定工作,利用两种方法对原子运行路径上的均匀弱磁场(C场)进行精确测量,严格的分析表明二阶塞曼频移的测量不确定度为1.08×10~(-16)。具体的研究内容如下:1.提高飞行时间信号(TOF)信噪比的技术研究。通过提高TOF信号强度、降低TOF信号噪声改进TOF信号的信噪比。(1)改进二维磁光阱的真空系统,以减小由真空变化引起的原子喷泉回落原子数的起伏。将原有的环氧树脂胶粘结玻璃板和金属腔体的真空密封方式,改进为压铟丝密封的方式。改进后的二维磁光阱可以持续提供冷原子束流,增强了飞行时间信号强度。改进后铯原子喷泉钟物理系统真空度的起伏比改进之前降低了两个量级。实验测量喷泉管位置真空度的改变量被限制在1×10~(-7)Pa范围以内,由真空变化引起的回落原子数起伏小于10%。(2)降低冷原子黏团温度以提高飞行时间信号强度。优化亥姆霍兹线圈补偿地磁场技术,使磁光阱中心1cm范围内的磁场起伏小于30nT,原子温度从10μK降低为3μK,原子黏团飞行过程中的原子数损耗变小,飞行时间信号变强。(3)改进双能级探测系统,降低探测光的功率噪声。优化双能级探测系统的光路,针对探测光功率起伏的问题,给探测光添加功率稳定环路。功率稳定环路激光样品的获取采用白玻璃片反射的方式,相比传统的偏振棱镜,白玻璃片反射光功率变化与出射光的偏振无关,这种方式研制的功率稳定环路既能遏制激光功率的直接变化,也能遏制由偏振变化引起的激光功率的间接变化。使用这种方式研制的功率稳定环路可以实现双能级探测光的同时稳定。实验表明功率稳定以后探测光的相对强度噪声小于10~(-7)/f(Hz~(-1)),单纯由探测光功率起伏引起的铯原子喷泉钟的不稳定程度小于1.4×10~(-14)(τ)~(-1/2)(τ=1~40000s)。2.改进NTSC-F1的光学系统,消除探测光功率的长期变化,提高NTSC-F1的长期运行能力。光学系统的稳定性是影响铯原子喷泉钟长期运行的主要因素。实验中使用一台商用半导体激光器作为光源提供铯原子喷泉钟运行所需要的冷却光和探测光。应用全金属、小型化的光学元件搭建光路,以提高光学系统的稳定性和空间光到光纤的耦合效率。设计猫眼结构的声光调制器双次通过光路,以减小偏振梯度冷却阶段冷却光频率变化与功率变化的相互影响。使用无振动的机械开关对激光束进行物理关断,以减小机械振动对激光器稳定性的影响。光学系统功率监测实验表明,光学系统一次锁定可以无干扰正常运行时间超过1个月,其间激光总功率仅变化3%,完全符合喷泉钟长期运行的要求。3.二阶塞曼频移的评定技术研究。应用低频跃迁法测量铯原子喷泉钟激励腔及自由飞行区的磁场分布。应用交流退磁法对磁屏蔽退磁以优化C场的空间分布。研制高稳定性的C场电流源以减小C场随时间的变化。应用国际通用的测量磁敏能级Ramsey跃迁中心条纹的方法,测量了二阶塞曼频移的频移量,从C场的空间均匀性、时间稳定性两个方面对二阶塞曼频移的测量不确定度进行了评定。评定结果表明NTSC-F1二阶塞曼频移的测量不确定度为1.08×10~(-16)。4.激励腔与自由飞行区磁场平均值不相等引起钟跃迁频移的研究。原子团与激励腔的作用实际包含了两次Rabi过程和一段时间的自由演化过程,两种作用过程都与磁场有关。但是磁场在这两种过程中产生频移的机理并不完全相同。传统的铯原子喷泉钟二阶塞曼频移的研究只是关注了由磁场引起的频移,而没有区分两种过程产生频移的差别。激励腔与自由飞行区磁场平均值不相等会对钟跃迁产生影响从而产生频移。本文首次对这一频移进行了研究,理论上研究了这项频移的产生机理和测量方法,实验上以NTSC-F1为平台测量了这项频移的相对频移量为10~(-17)量级。5.高性能磁屏蔽研究。铯原子喷泉钟二阶塞曼频移、Rabi与Ramsey牵引频移以及Majorana跃迁频移都与磁屏蔽装置的性能有关。NTSC-F1磁屏蔽装置原始磁场均匀区仅有6cm,磁场的均匀性依靠多组补偿线圈调整实现,这就增加了喷泉钟系统的复杂程度与不稳定性。我们从磁屏蔽的原料选择、结构设计和退磁方式三个方面对铯原子喷泉钟的磁屏蔽装置进行了研究,实验上获得了磁屏蔽筒轴线方向51cm的磁场均匀区。
【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】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH714.14
【图文】：

铯原子喷泉,工作过程

NTSC-F1 铯原子喷泉钟性能改进及二阶塞曼频移研究larion 小组研制出第一台铯原子喷泉钟 FO1[11]，199性能超过了当时最好的铯束钟。此后，铯原子喷泉钟率基准。泉钟以冷原子黏团为工作样品，应用移动光学黏团技Hz 或 10MHz 的本地晶体振荡器通过频率综合器转相接近的微波输入激励腔。原子黏团上升、下落两发生 Ramsey 跃迁，Ramsey 跃迁概率与微波场的频振荡器使 Ramsey 跃迁概率最大，就可以使本地晶体[11][12]。铯原子喷泉钟的具体工作过程如图 1.1 所示

铯原子,喷泉,实验装置

价原子钟第三至五场理论和铯原子喷泉图 2.1 所系统、控分；光学括选态腔采集系统开关电路子俘获、性能的两个五节对与铯原二阶塞曼频泉钟的结构所示，一台完控制系统和电系统包括实腔微波链路和统和伺服控制路和探测信号上抛、选态个重要指标原子喷泉钟频移理论进构完整的铯原电子学系统实验台空间和激励腔微制系统三个号放大电路态、激励、标——频率稳钟研究相关的进行了介绍。原子喷泉钟包统五个部分。光路和探测微波链路两部个部分；电子路两部分。铯探测、伺服稳定度和频的理论包括包括物理系。物理系统测区光路两部分；控制子学系统包铯原子喷泉服控制等一频率准确度进括激光冷却原系统、光学系统包括真空系两部分[39]；微制系统包括时包括给磁场线泉钟各系统按一系列过程[4进行了详细原子理论、系统、微波系统和磁场微波频率综时序控制系线圈供电的按照设定程40]。细波场综系的程

CG系数,跃迁,能级,圆偏振光

2.8 σ+-σ-组态光场偏振沿 z 轴的变annoudji还讨论了另外一种形-σ-圆偏振光组成，空间上表现场。由图2.6的CG系数可知在可能发生Sisyphus冷却。23161212121216

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