基于量子逻辑技术的镁—铝离子光频标钟跃迁探测
发布时间：2022-02-11 03:54
随着科学技术的发展,人们对时间的认识不断加深,狭义相对论更将时间的概念提到新的维度,同时对时间精度的要求越来越高。从恒星日到石英晶振,再到铯原子微波钟,人类对于秒定义的相对不确定度已经达到10-16,足以观测到相对论效应,并广泛应用于基础物理和现代工业。此外,秒定义的精度是所有物理单位最高的。得益于时间频率的转换t=1/f,科学家通过对频率的高精度测量转换为对时间的高精度测量,同时频率测量特有的高精度也可以衍生到电流、电压、长度的标定,从而提高其他基本单位的精度。另一方面,科学家早已不满足于频率标准10-16的相对不确定度,开始研究更高精度的频率标准,成功实现了多种元素的原子、离子光钟,目前已有10-19量级的光钟问世,为下一代秒定义打下基础。课题组在此背景下,基于铝离子光钟对黑体辐射不敏感的天然优越性,开展了基于量子逻辑技术的镁-铝离子光频标系统研究。实现了相应的关键技术,完成超高真空度（10-8 Pa）的真空系统、荧光采集系统、光路系统搭建,采用双光子离化的方式成功离化镁原子,同时囚禁镁单离子。本人博士课题是在此实验基础上,进行镁-铝离子光频标钟跃迁探测工作,主要包括以下三个方面:...
【文章来源】：华中科技大学湖北省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
频率标准的精度提高历程
华中科技大学博士学位论文4的频率标准[4]。1.2.1微波频率标准由于激光是二十世纪下半叶的产物，十九世纪末，人们更容易制造的是微波频段的信号源。同时由于原子光谱的发现，并且这些谱线几乎不受原子所处环境影响，科学家于是利用原子共振吸收电磁波的特性，将电磁波的频率锁定到原子的某一根跃迁线上，就可以建立起一套所谓的微观尺度上的频率参考。二十世纪四十年代人们开始尝试发展这样的频率标准，简称原子频标。起初的参考跃迁频率位于微波频率段，所以通常又把这样的原子频标称为微波频标。1955年英国国家物理实验室(NPL)实现了第一台磁选态Cs原子束钟[5]，随后各国计量单位相继建立了各自的Cs原子束频标，都是利用Cs原子基态超精细结构之间频率约为9.2GHz的跃迁作为参考频率。图1-2为早期铯束钟工作原理图。由于原子频标本身的优越性，使得系统的稳定度迅速进入1011~1012水平上，已经远好于当时其它的频率标准，于是1967年国际计量大会将SI单位制中的秒定义为Cs133原子基态超精细能级间跃迁辐射的9192631770个周期的持续时间[6]。图1-2早期磁选态铯束钟原理[7]，铯原子从左往右飞行至探测器，期间通过磁场选态后与微波进行作用。此后人们还相继发展了光抽运的Cs原子束钟、Cs喷泉钟、光抽运的Rb泡室钟和主动式氢钟等等使用不同原子或者技术的微波频标，并且部分微波钟已经实现了商业化生产，现在的时间标准则是采用Cs喷泉钟的测量结果，达到1016精度[3,8]。
华中科技大学博士学位论文8下面将介绍当前世界上不确定度或稳定度实现1018量级甚至更低的光频标系统研究进展。1.4超高精度光钟简介1.4.1Sr87原子光晶格钟最早在2003年，东京大学的Katori和Takamoto提出可以利用光学驻波场（即光晶格）囚禁中性原子，实现长时间的钟跃迁探测，这即是光晶格钟[56]。目前PTB、NPL、SYTRE、JILA、NMIJ、东京大学都已经发展了各自的Sr光晶格钟，其中JILA通过两套Sr光晶格钟比对已经将他们的系统相对不确定度评估至6.4×1018[57]，是目前系统不确定度最低的Sr原子光频标系统。图1-3Sr原子能级结构[58]，多普勒冷却光波长为461nm，二级多普勒冷却光波长为698nm，钟跃迁线波长为698nm。图1-3为Sr87原子的能级结构，其中多普勒冷却跃迁线对应波长461nm，波长λ=689nm为二级多普勒冷却，进一步将原子团冷却到更低的1μK温度，这样引起的二阶多普勒频移很低，低于1019量级水平，之后探测钟跃迁线波长λ=698nm，其自然线宽为8mHz。JILA于2005年前后开始发展Sr原子光晶格钟。首先，通过克服原子间相互作用产
【参考文献】：
期刊论文
[1]Observation of the 1S0-3P0 optical clock transition in cold 199Hg atoms[J]. 付小虎,方苏,赵儒臣,张晔,黄军超,孙剑芳,徐震,王育竹. Chinese Optics Letters. 2018(06)
[2]Strontium optical lattice clock at the National Time Service Center[J]. 王叶兵,尹默娟,任洁,徐琴芳,卢本全,韩建新,郭阳,常宏. Chinese Physics B. 2018(02)
[3]Realization of Closed-Loop Operation of Optical Lattice Clock Based on 171Yb[J]. 刘慧,张曦,姜坤良,王进起,朱强,熊转贤,贺凌翔,吕宝龙. Chinese Physics Letters. 2017(02)
[4]基于量子逻辑技术的铝离子光频标研究进展[J]. 邓科,张洁,石晓辉,徐泽天,柳奎,车煌,陆泽晃. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(07)
[5]Precision spectroscopy with a single 40Ca+ ion in a Paul trap[J]. 管桦,黄垚,刘培亮,边武,邵虎,高克林. Chinese Physics B. 2015(05)
[6]Generation of Continuous-Wave 194 nm Laser for Mercury Ion Optical Frequency Standard[J]. 邹宏新,伍越,陈国柱,沈咏,刘曲. Chinese Physics Letters. 2015 (05)
博士论文
[1]基于量子逻辑技术的镁-铝离子光频标关键技术研究[D]. 徐泽天.华中科技大学 2019
本文编号：3619788
【文章来源】：华中科技大学湖北省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
频率标准的精度提高历程
华中科技大学博士学位论文4的频率标准[4]。1.2.1微波频率标准由于激光是二十世纪下半叶的产物，十九世纪末，人们更容易制造的是微波频段的信号源。同时由于原子光谱的发现，并且这些谱线几乎不受原子所处环境影响，科学家于是利用原子共振吸收电磁波的特性，将电磁波的频率锁定到原子的某一根跃迁线上，就可以建立起一套所谓的微观尺度上的频率参考。二十世纪四十年代人们开始尝试发展这样的频率标准，简称原子频标。起初的参考跃迁频率位于微波频率段，所以通常又把这样的原子频标称为微波频标。1955年英国国家物理实验室(NPL)实现了第一台磁选态Cs原子束钟[5]，随后各国计量单位相继建立了各自的Cs原子束频标，都是利用Cs原子基态超精细结构之间频率约为9.2GHz的跃迁作为参考频率。图1-2为早期铯束钟工作原理图。由于原子频标本身的优越性，使得系统的稳定度迅速进入1011~1012水平上，已经远好于当时其它的频率标准，于是1967年国际计量大会将SI单位制中的秒定义为Cs133原子基态超精细能级间跃迁辐射的9192631770个周期的持续时间[6]。图1-2早期磁选态铯束钟原理[7]，铯原子从左往右飞行至探测器，期间通过磁场选态后与微波进行作用。此后人们还相继发展了光抽运的Cs原子束钟、Cs喷泉钟、光抽运的Rb泡室钟和主动式氢钟等等使用不同原子或者技术的微波频标，并且部分微波钟已经实现了商业化生产，现在的时间标准则是采用Cs喷泉钟的测量结果，达到1016精度[3,8]。
华中科技大学博士学位论文8下面将介绍当前世界上不确定度或稳定度实现1018量级甚至更低的光频标系统研究进展。1.4超高精度光钟简介1.4.1Sr87原子光晶格钟最早在2003年，东京大学的Katori和Takamoto提出可以利用光学驻波场（即光晶格）囚禁中性原子，实现长时间的钟跃迁探测，这即是光晶格钟[56]。目前PTB、NPL、SYTRE、JILA、NMIJ、东京大学都已经发展了各自的Sr光晶格钟，其中JILA通过两套Sr光晶格钟比对已经将他们的系统相对不确定度评估至6.4×1018[57]，是目前系统不确定度最低的Sr原子光频标系统。图1-3Sr原子能级结构[58]，多普勒冷却光波长为461nm，二级多普勒冷却光波长为698nm，钟跃迁线波长为698nm。图1-3为Sr87原子的能级结构，其中多普勒冷却跃迁线对应波长461nm，波长λ=689nm为二级多普勒冷却，进一步将原子团冷却到更低的1μK温度，这样引起的二阶多普勒频移很低，低于1019量级水平，之后探测钟跃迁线波长λ=698nm，其自然线宽为8mHz。JILA于2005年前后开始发展Sr原子光晶格钟。首先，通过克服原子间相互作用产
【参考文献】：
期刊论文
[1]Observation of the 1S0-3P0 optical clock transition in cold 199Hg atoms[J]. 付小虎,方苏,赵儒臣,张晔,黄军超,孙剑芳,徐震,王育竹. Chinese Optics Letters. 2018(06)
[2]Strontium optical lattice clock at the National Time Service Center[J]. 王叶兵,尹默娟,任洁,徐琴芳,卢本全,韩建新,郭阳,常宏. Chinese Physics B. 2018(02)
[3]Realization of Closed-Loop Operation of Optical Lattice Clock Based on 171Yb[J]. 刘慧,张曦,姜坤良,王进起,朱强,熊转贤,贺凌翔,吕宝龙. Chinese Physics Letters. 2017(02)
[4]基于量子逻辑技术的铝离子光频标研究进展[J]. 邓科,张洁,石晓辉,徐泽天,柳奎,车煌,陆泽晃. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(07)
[5]Precision spectroscopy with a single 40Ca+ ion in a Paul trap[J]. 管桦,黄垚,刘培亮,边武,邵虎,高克林. Chinese Physics B. 2015(05)
[6]Generation of Continuous-Wave 194 nm Laser for Mercury Ion Optical Frequency Standard[J]. 邹宏新,伍越,陈国柱,沈咏,刘曲. Chinese Physics Letters. 2015 (05)
博士论文
[1]基于量子逻辑技术的镁-铝离子光频标关键技术研究[D]. 徐泽天.华中科技大学 2019
本文编号：3619788
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