应用于锶光钟的激光技术及光谱探测研究

发布时间：2017-08-03 03:11

  本文关键词：应用于锶光钟的激光技术及光谱探测研究

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【摘要】：现代科学技术的发展使得一些领域,如基本物理常数的精密测量、全球卫星导航与定位系统、天文观测等,对时间频率的精度有了更高需求。锶原子光晶格钟是一种前瞻性的基准原子钟,是目前稳定度和不确定度最高的原子钟,其频率稳定度和不确定度都已经达到了10-18量级,很有可能成为新一代秒定义的时频基准原子钟。本文以中国科学院国家授时中心的锶原子光钟系统为实验平台,对锶原子光晶格钟的激光技术和光谱探测方面做了研究。主要工作包括以下几个部分:1.689nm窄线宽激光的研制。通过Pound-Drever-Hall(PDH)方法将外腔半导体激光频率锁定在ULE光学超稳腔上,研制了两套689nm窄线宽激光器,拍频得到的激光线宽约为230Hz,并且采用以氢钟为频率参考的光频梳测量得到其频率的线性漂移率为0.16Hz/s。在此基础上,采用光学注入锁定的办法对激光的功率进行放大,并对激光的频谱展宽和时序控制做了设计,满足了锶原子窄线宽冷却的需求。2.锶原子天然同位素组间跃迁频率的精密测量。首先,利用689nm窄线宽激光器获得了热原子束中锶原子天然同位素所有组间跃迁线的饱和荧光谱,由于该跃迁线荧光极其微弱使得低丰度值同位素谱线探测难度大,特别是丰度值只有0.56%的84Sr尚属首次报道的饱和荧光谱。然后,利用光纤飞秒光梳对饱和荧光谱的兰姆凹陷中心频率进行了精密测量。最后,经过评估测量中的主要系统误差,对测量结果进行了修正,给出了测量结果的不确定值,并得到了测量的最终结果。该实验测量得到的结果在误差范围内与国际上其它研究小组的结果一致,并填补了84Sr组间跃迁频率测量的空白。3.飞秒光梳单个模式的选择和放大。光频梳不仅可以用于光学频率的精密测量和光学原子钟,该仪器也是宽频段光学频率合成器的基础,能产生其光谱覆盖范围内任意频率的光源,并能使这些光源具备与频率参考源相当的相干性。但是,光频梳的输出光场中包含数目庞大的纵模,且单个纵模的功率极其微弱(一般小于1μW),使得连续激光与光梳的拍频信号信噪比较低,对光学频率测量和相干性传递都会带来困难。针对该问题,本文通过级联光学注入两个外腔半导体激光器对光梳的模式进行主动滤波和放大,得到了功率达10m W,边模抑制比约为37d B的689nm窄线宽激光光源。4.88Sr冷原子的制备与Lamb-Dicke区1S0-3P0谱线探测。利用窄线宽激光对88Sr原子进行了窄线宽激光冷却,得到了温度小于1μK的锶原子磁光阱,并成功装载到了一维光晶格中。最后,利用线宽为Hz量级的超窄线宽激光探测到了磁场诱导下的88Sr Lamb-Dicke区钟跃迁谱线,并测量了钟跃迁的拉比振荡曲线,以测试系统的相干性。
【关键词】：光频标 锶原子光钟 窄线宽激光 光频梳 光学注入锁定 光梳模式选择与放大 窄线宽冷却 钟跃迁
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(国家授时中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH714.14
【目录】：

• 致谢3-5
• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-24
• 1.1 高精度时间频率基准的现实意义14-17
• 1.1.1 基本物理常数的测量14-15
• 1.1.2 卫星导航15
• 1.1.3 甚长基线干涉测量15-16
• 1.1.4 引力波探测16-17
• 1.2 光钟概述17-22
• 1.2.1 光钟基本构成及其稳定度17-19
• 1.2.2 系统误差及不确定度19-21
• 1.2.3 光钟的发展21-22
• 1.3 本文的选题意义及结构安排22-24
• 2 689nm窄线宽激光24-38
• 2.1 光场噪声及其表示方法25-28
• 2.1.1 幅度调制与相位调制25-26
• 2.1.2 光场噪声的表示方法26-28
• 2.2 PDH稳频基本原理及其技术噪声28-30
• 2.3 系统的构建和结果测量30-37
• 2.3.1 FP腔30-33
• 2.3.2 光路33-35
• 2.3.3 电学系统35-36
• 2.3.4 结果测量36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 3 锶原子天然同位素的组间跃迁频率测量38-56
• 3.1 光纤飞秒光梳40-46
• 3.1.1 光梳的光谱结构及光频测量原理40-41
• 3.1.2 系统结构41-44
• 3.1.3 飞秒光梳的相位锁定44-46
• 3.2 锶原子组间跃迁的频率测量46-51
• 3.2.1 实验装置46-49
• 3.2.2 荧光谱49-51
• 3.2.3 频率测量51
• 3.3 系统误差及其修正51-54
• 3.3.1 剩余一阶多普勒频移52
• 3.3.2 二阶多普勒频移和反冲频移52-53
• 3.3.3 其它系统误差53-54
• 3.3.4 最终结果54
• 3.4 本章小结54-56
• 4 光梳的模式选择与放大56-69
• 4.1 实验装置57-60
• 4.2 实验结果60-63
• 4.2.1 光谱的演化60-61
• 4.2.2 谱纯度与注入锁定范围测量61-63
• 4.3 分析与结论63-68
• 4.3.1 外腔半导体激光器的参数与模式的选择63-64
• 4.3.2 非线性效应与边模64-68
• 4.4 本章小结68-69
• 5 ~(88)Sr冷原子的制备与Lamb-Dicke区~1S_0-~3P_0谱线探测69-90
• 5.1 锶原子的激光冷却与囚禁69-76
• 5.1.1 锶原子激光冷却的理论分析69-73
• 5.1.2 锶原子的磁光阱装载实验73-76
• 5.2 锶冷原子的一维光晶格装载76-78
• 5.2.1 Lamb-Dicke区的谱线线型76-77
• 5.2.2 光晶格的装载实验77-78
• 5.3 ~(88)Sr钟跃迁探测实验78-87
• 5.3.1 698 nm钟激光系统及测试78-81
• 5.3.2 静磁场81
• 5.3.3 光路搭建81-83
• 5.3.4 初步寻找钟跃迁信号83-84
• 5.3.5 归一化边带钟跃迁谱线测量84-87
• 5.4 拉比振荡测量87-89
• 5.5 本章小结89-90
• 6 总结与展望90-92
• 参考文献92-101
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果101-102

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本文编号：612386