冷铯原子微波频标新方案探索与研究

发布时间：2017-12-07 11:32

  本文关键词：冷铯原子微波频标新方案探索与研究

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【摘要】：根据原子频标短期频率稳定度的理论分析,可以从两个方面提高稳定度:一是延长Ramsey自由演化时间TR;二是发展连续测量系统,消除Dick效应的影响,研制1/τ原子频标。本论文以这两种技术方法为研究方向,开展冷铯原子微波频标新方案的探索与研究。本论文首先研究了内涂层泡明显延长冷铯原子弛豫时间的可行性。空间冷铯原子频标HORACE的Ramsey自由演化时间TR,受冷原子与石英泡壁间的碰撞弛豫影响,约为35 ms。为了抑制泡壁碰撞弛豫效应,延长TR以进一步提高频率稳定度,本文提出采用内壁镀α-烯烃的玻璃泡代替普通石英泡的方案。实验利用积分球产生各向同性光对内涂层泡内铯原子进行冷却,对冷铯原子的弛豫过程进行了深入研究。弛豫测量结果显示,内涂层壁能抑制壁碰撞弛豫,泡内热铯原子弛豫时间达到了320 ms,泡内冷铯原子受各类加热效应影响只维持100 ms即被加热到常温,而后以320 ms的时间常数弛豫演化,内涂层壁没明显增长冷铯原子的弛豫时间。基于测量数据论文分析了冷铯原子与内涂层壁的碰撞过程,结果显示该壁对冷铯原子存在弹性反射,反射率初步结果p?0.58,有待更精细的研究。其次,本论文研究了基于二维磁光阱的纵向冷却和推射分离的新型冷铯原子束源——2D-HP MOT。该系统用纵向对射的强中空光束进行冷却,另用一微弱的窄高斯光束推射冷却原子。该系统既可保证高原子通量,又可大幅削弱推射光的纵向泄漏,从而明显抑制泄漏光对铯原子钟跃迁造成的光频移。论文对冷原子束通量与推射光功率和失谐的关系进行了理论分析和实验验证,实验结果与理论分析符合良好。在10μW的共振推射光条件下,推射光泄漏造成的钟跃迁光频移比传统2D+MOT降低了20倍。冷铯原子通量为2.64×1010 atoms/s,高于传统2D+MOT。冷原子束纵向平均速度7 m/s,速度分布宽度3 m/s,扩散角小于14 mrad。基于冷铯原子束,论文开展了连续冷铯原子频标的初步研究。利用冷铯原子束连续测量Ramsey鉴频信号,理论上可消除Dick效应,实现1/τ原子频标,从而进一步提高频率稳定度。当自由演化距离为10 cm时,系统稳定度的理论极限为3×10-14/√τ。目前,实验在3 cm自由演化距离下,利用Raman-Ramsey技术获得了中心条纹宽度160 Hz、对比度26%和信噪比40的Ramsey信号。这为下一步系统测量各类频移和实现连续冷铯原子频标闭环锁定奠定了基础。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O562

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本文编号：1262268