基于型材网格平台的紧凑 85 Rb喷泉钟光路设计
发布时间：2022-01-14 20:14
原子喷泉钟是具有重要应用价值的冷原子装置,紧凑型光学系统设计是研制可搬运冷原子喷泉钟的关键技术之一。介绍了一种以通用铝型材搭建的网格化光学平台,并基于此平台实现了85Rb喷泉钟紧凑型光路。通过仿真,证明了该型材网格平台在二维方向均具有较好的力学性能。在该平台上,设计并搭建了四倍频移、注入锁定放大、冷却光路、再泵浦光路和探测光路等单元模块,满足了喷泉钟的所有要求。该网格平台面积为50 cm×50 cm,高度为2.5～3 cm。该光路实现了8个月以上的持续运行,功率的起伏小于5%。基于该紧凑型光学系统,完成了后续的85Rb喷泉钟的物理实验和微波实验。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(18)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
85Rb喷泉钟的工作能级与时序。(a) D2线超精细能级结构与相关跃迁;(b)喷泉钟运行时序
图2(a)为85Rb原子的D2线(基态能级52S1/2到第一激发态能级52P3/2的跃迁谱线)超精细结构及冷却、再泵浦、探测等过程中的相关跃迁示意图。利用基态|F=3〉与激发态|F′=4〉间的循环跃迁实现85Rb原子的冷却,冷却光为负失谐,失谐量为2Г～3Г(Г为激发态的自然线宽),探测光的正失谐量为Г/2。为了保证冷却过程的持续进行,以基态|F=2〉跃迁到激发态|F′=3〉的共振光作为再泵浦光,并将其用于双能级探测过程。图2(b)为喷泉钟运行的时序图,其中Bgradient为磁场梯度大小,f为基态|F=3〉到激发态|F′=4〉的跃迁频率,Δv为失谐量,Irepump1为冷却过程中再泵浦光的光强,Icool为冷却光的光强,PRamsey为Ramsey腔的微波功率,Iprobe为探测光的光强,Ipush为探测区的行波场光强,Irepump2为双能级探测中再泵浦光的光强。采用折叠光路方案[23],将两束入射光变换为三对传播方向和偏振方向均相反的激光;冷却并俘获背景热原子后,通过调节两束入射光,产生频率失谐且竖直向上的光场辐射压力,在该辐射压力作用下冷原子作上抛运动,之后自由下落到探测区,依次通过上探测区驻波场[此时探测上能级原子的飞行时间 (Time of flight,TOF) 信号]、行波场 (赶走上能级原子)、再泵浦光驻波场(将下能级原子抽运到上能级)、下探测区驻波场(探测原下能级原子的TOF信号),实现了双能级探测,其中行波场与上探测区的驻波场来自同一束光。图2 85Rb喷泉钟的工作能级与时序。(a) D2线超精细能级结构与相关跃迁;(b)喷泉钟运行时序
已有的87Rb喷泉钟激光器具有优越的性能,例如线宽很窄、可以数月连续运行、锁定以后几乎不失锁等,因此希望85Rb喷泉钟能采用该激光源,但受当前实验条件限制,无法再添加一台。设87Rb的|F=2〉→|F′=2〉跃迁对应的跃迁谱线为L1,87Rb的|F=2〉→|F′=3〉跃迁对应的跃迁谱线为L2,85Rb的|F=3〉→|F′=3〉跃迁对应的跃迁谱线为L3,85Rb的|F=3〉→|F′=4〉跃迁对应的跃迁谱线为L4,L3与L4的交叉峰比L1与L2的交叉峰高约1.2 GHz[图2(a)],两者的基态超精细跃迁频率很接近,从光路上讲,增加一个210 MHz的四次频移系统即可实现85Rb喷泉钟与87Rb喷泉钟共用激光源,且难度不大,所以本文采用大范围频移方案,如图3所示,其中2-3?2-2表示L1与L2的交叉峰频率,FEOM为光纤电光调制器。由光纤引入87Rb喷泉钟的主激光并将其作为85Rb光路的种子光,种子光通过声光调制器AOM1(210 MHz)后,发生了0.84 GHz的四倍正频移(four pass);一部分光(1～2 mW)被分出,其功率被注入锁定放大模块放大(大于80 mW);放大后的光再通过AOM2(125 MHz),发生了0.25 GHz的双倍正频移(double pass);对应输出光被等分为两路并分别通过AOM3、AOM4(79 MHz),发生了0.158 GHz的双倍正频移,此时共计频移1.248 GHz。AOM3、AOM4输出光是负失谐,失谐频率为12 MHz(对应跃迁|F=3〉→|F′=4〉),将其作为两路冷却光。经四倍正频移的大部分光(约20 mW)被分为两路,一路经AOM5(211.5 MHz)以实现0.423 GHz的双倍正频移,共计频移1.263 GHz,对应的输出光是正失谐,失谐频率为3 MHz(对应跃迁|F=3〉→|F′=4〉),将其作为探测光;由于再泵浦光与跃迁|F=2〉→|F′=3〉共振耦合,故另一路经AOM6实现0.08 GHz的单倍正频移(single pass)后,再通过光纤电光调制器实现3.256 GHz的频移,对应输出光作为再泵浦光。再泵浦光被分为两路,一路用于双能级探测,另一路被耦合到冷却光中。整体光路设计如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]85Rb喷泉钟的低相位噪声微波频率综合器设计[J]. 张宁,王倩,赵伟靖,姬清晨,魏荣. 光学学报. 2020(10)
[2]空间冷原子钟原位探测微波腔设计[J]. 王新文,高源慈,赵剑波,彭向凯,任伟,项静峰,张镇,董功勋,刘亢亢,屈求智,刘亮,吕德胜. 中国激光. 2019(09)
[3]原子喷泉频标:原理与发展[J]. 王倩,魏荣,王育竹. 物理学报. 2018(16)
[4]空间激光冷却原子集成光学平台设计[J]. 屈求智,夏文兵,汪斌,吕德胜,赵剑波,叶美凤,任伟,项静峰,刘亮. 光学学报. 2015(06)
[5]冷原子干涉型重力仪的发展现状与趋势[J]. 吴彬,王肖隆,王河林,王兆英,林强. 导航与控制. 2015 (02)
本文编号：3589140
【文章来源】：光学学报. 2020,40(18)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
85Rb喷泉钟的工作能级与时序。(a) D2线超精细能级结构与相关跃迁;(b)喷泉钟运行时序
图2(a)为85Rb原子的D2线(基态能级52S1/2到第一激发态能级52P3/2的跃迁谱线)超精细结构及冷却、再泵浦、探测等过程中的相关跃迁示意图。利用基态|F=3〉与激发态|F′=4〉间的循环跃迁实现85Rb原子的冷却,冷却光为负失谐,失谐量为2Г～3Г(Г为激发态的自然线宽),探测光的正失谐量为Г/2。为了保证冷却过程的持续进行,以基态|F=2〉跃迁到激发态|F′=3〉的共振光作为再泵浦光,并将其用于双能级探测过程。图2(b)为喷泉钟运行的时序图,其中Bgradient为磁场梯度大小,f为基态|F=3〉到激发态|F′=4〉的跃迁频率,Δv为失谐量,Irepump1为冷却过程中再泵浦光的光强,Icool为冷却光的光强,PRamsey为Ramsey腔的微波功率,Iprobe为探测光的光强,Ipush为探测区的行波场光强,Irepump2为双能级探测中再泵浦光的光强。采用折叠光路方案[23],将两束入射光变换为三对传播方向和偏振方向均相反的激光;冷却并俘获背景热原子后,通过调节两束入射光,产生频率失谐且竖直向上的光场辐射压力,在该辐射压力作用下冷原子作上抛运动,之后自由下落到探测区,依次通过上探测区驻波场[此时探测上能级原子的飞行时间 (Time of flight,TOF) 信号]、行波场 (赶走上能级原子)、再泵浦光驻波场(将下能级原子抽运到上能级)、下探测区驻波场(探测原下能级原子的TOF信号),实现了双能级探测,其中行波场与上探测区的驻波场来自同一束光。图2 85Rb喷泉钟的工作能级与时序。(a) D2线超精细能级结构与相关跃迁;(b)喷泉钟运行时序
已有的87Rb喷泉钟激光器具有优越的性能,例如线宽很窄、可以数月连续运行、锁定以后几乎不失锁等,因此希望85Rb喷泉钟能采用该激光源,但受当前实验条件限制,无法再添加一台。设87Rb的|F=2〉→|F′=2〉跃迁对应的跃迁谱线为L1,87Rb的|F=2〉→|F′=3〉跃迁对应的跃迁谱线为L2,85Rb的|F=3〉→|F′=3〉跃迁对应的跃迁谱线为L3,85Rb的|F=3〉→|F′=4〉跃迁对应的跃迁谱线为L4,L3与L4的交叉峰比L1与L2的交叉峰高约1.2 GHz[图2(a)],两者的基态超精细跃迁频率很接近,从光路上讲,增加一个210 MHz的四次频移系统即可实现85Rb喷泉钟与87Rb喷泉钟共用激光源,且难度不大,所以本文采用大范围频移方案,如图3所示,其中2-3?2-2表示L1与L2的交叉峰频率,FEOM为光纤电光调制器。由光纤引入87Rb喷泉钟的主激光并将其作为85Rb光路的种子光,种子光通过声光调制器AOM1(210 MHz)后,发生了0.84 GHz的四倍正频移(four pass);一部分光(1～2 mW)被分出,其功率被注入锁定放大模块放大(大于80 mW);放大后的光再通过AOM2(125 MHz),发生了0.25 GHz的双倍正频移(double pass);对应输出光被等分为两路并分别通过AOM3、AOM4(79 MHz),发生了0.158 GHz的双倍正频移,此时共计频移1.248 GHz。AOM3、AOM4输出光是负失谐,失谐频率为12 MHz(对应跃迁|F=3〉→|F′=4〉),将其作为两路冷却光。经四倍正频移的大部分光(约20 mW)被分为两路,一路经AOM5(211.5 MHz)以实现0.423 GHz的双倍正频移,共计频移1.263 GHz,对应的输出光是正失谐,失谐频率为3 MHz(对应跃迁|F=3〉→|F′=4〉),将其作为探测光;由于再泵浦光与跃迁|F=2〉→|F′=3〉共振耦合,故另一路经AOM6实现0.08 GHz的单倍正频移(single pass)后,再通过光纤电光调制器实现3.256 GHz的频移,对应输出光作为再泵浦光。再泵浦光被分为两路,一路用于双能级探测,另一路被耦合到冷却光中。整体光路设计如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]85Rb喷泉钟的低相位噪声微波频率综合器设计[J]. 张宁,王倩,赵伟靖,姬清晨,魏荣. 光学学报. 2020(10)
[2]空间冷原子钟原位探测微波腔设计[J]. 王新文,高源慈,赵剑波,彭向凯,任伟,项静峰,张镇,董功勋,刘亢亢,屈求智,刘亮,吕德胜. 中国激光. 2019(09)
[3]原子喷泉频标:原理与发展[J]. 王倩,魏荣,王育竹. 物理学报. 2018(16)
[4]空间激光冷却原子集成光学平台设计[J]. 屈求智,夏文兵,汪斌,吕德胜,赵剑波,叶美凤,任伟,项静峰,刘亮. 光学学报. 2015(06)
[5]冷原子干涉型重力仪的发展现状与趋势[J]. 吴彬,王肖隆,王河林,王兆英,林强. 导航与控制. 2015 (02)
本文编号：3589140
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