冷镱原子光钟的频率锁定及碰撞频移分析

发布时间：2017-06-07 20:13

  本文关键词：冷镱原子光钟的频率锁定及碰撞频移分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光钟作为新一代频标候选之一,因其超低的频率不确定度和不稳定性潜力,已经超越了现行时间频率标准铯喷泉钟,有望成为下一代时间频率标准。精确的时间频率基准不仅可以作为高精度守时与授时基准,同时也将推动精密导航、测地学、基础物理等甚至更深层次领域科学研究的发展。光钟主要分为两类,一类是将单离子囚禁在四极阱中的离子光钟,其频率不确定度可达10-18数量级；但是因为每次探测过程中,只有一个离子,需要长时间积分才能达到较低量级的不稳定性。另一类是中性原子光钟,在光晶格中同时囚禁大量原子；大量原子同时探测,提高了探测信号的信噪比,因此中性原子光钟的不稳定性要低于离子光钟几个量级。受益于光晶格技术,这些原子被囚禁在Lamb-Dicke区域,并且被分配到不同的晶格格点中,不仅抑制了多普勒频移和反冲频移,同时大大降低了原子间的碰撞频移。目前国际上正在热门研制的是镱原子光钟和锶原子光钟,其中锶原子光钟的频率不确定度和不稳定性均可达到10-18数量级；镱原子光钟的不稳定性也已经达到10-18数量级,而其不确定度仍在10-16数量级,有待于进一步提高。华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室近年来一直致力于两套冷镱原子光晶格钟Yb-1和Yb-2的研制。在我们近些年来的实验中,分别得到了较好的两级冷却结果,成功的将冷原子装载到光晶格中,并且在Yb-2中实现了钟跃迁谱线的精密测量,这些在我们早期的论文中均有介绍。在此基础上,我的主要工作是对Yb-1进行改进,通过对实验参数的优化,得到温度为6μK的冷原子,并且在Yb-1中也得到了线宽较窄的钟跃迁谱线；基于Labview编程软件,编写了频率锁定程序,分别成功应用于Yb-1和Yb-2的频率锁定,并且可以实现Yb-1和Yb-2的时序同步与数据同步传递；理论上对由非均匀激发引入的碰撞频移及其不确定度进行了分析。本文工作首先着重于对Yb-1真空系统的改进,相对于之前由两个离子泵维持真空的基础上增加了一个钛升华泵。真空度的提升,可以减少背景原子与冷原子之间的碰撞,抑制单体碰撞效应,增加磁光阱的寿命,得到更多的冷原子。并且我们对二级冷却进行了细致的优化,实验上测量并分析冷原子温度、原子数和原子密度分别随二级冷却光的失谐量、光强和磁光阱的磁场梯度之间的变化关系。根据实验结果,选择最佳的实验条件,可以得到接近其多普勒极限的冷原子温度,并将冷原子装载到光晶格中进行钟跃迁谱线的探测。在两套光钟中,分别得到了得到了线宽为56 Hz和6 Hz的钟跃迁谱线。在对光钟进行系统频移分析时,碰撞频移是系统不确定度进一步降低的主要局限之一。由于泡利不相容原理,全同费米子不可能占据同一状态,不存在碰撞频移。鉴于这一优势,费米子光钟曾广泛受到各研究小组的青睐。但是近几年的研究表明,费米子光钟中也存在碰撞频移,其产生原因是在钟跃迁谱线探测过程中,钟激光和晶格光的不完全重合而导致的非均匀激发引起的。对于锶原子由非均匀激发引起碰撞频移,通过改变原子间的相互作用能来增大虚拟自旋单重态和三重态之间的能量差的方法,可以将碰撞频移限制在10-17数量级。镱原子与锶原子不同,镱原子二级冷却的多普勒极限温度为4.5 μK,而典型的实验冷却结果为几十μK；锶原子二级冷却的多普勒极限温度为0.4μK,其典型的实验冷却结果为几个μK,相比镱原子小一个数量级,因此其非均匀激发引起的碰撞频移要比镱原子小。基于此,本文对171Yb原子由非均匀激发引入的碰撞频移及其不确定度进行了详细的理论分析,得出在不同冷原子温度、原子数和光晶格阱深条件下的碰撞频移关系。根据我们理论分析结果,碰撞频移的不确定度在10-19数量级。在此基础上,对两套独立运行的冷镱原子光晶格钟Yb-1和Yb-2分别实现了单峰频率锁定,将本地钟激光锁定在冷原子跃迁谱线上。本地钟激光的短期稳定性好,但是冷原子的长期稳定性优于钟激光系统,因此将钟激光频率锁定在原子跃迁谱线上,可以实现整个光钟系统的长期稳定运行。并得到以艾伦偏差表征的稳定性：Yb-1为1.47×10-13(?)τ,长期稳定性7.35×10-15@400s；Yb-2为4.54×10-15(?)τ,长期稳定性1×10-16@1000s；。利用型号DS 345的信号发生器校正两套光钟的6259系列数据采集板卡的采样时钟,可以实现两套光钟同步运行与比对,这有利于消除共模噪声；同步运行以及数据同步传递,可以实现两套光钟系统的拍频和频率比对测量。最后本文还简单的对两套镱原子光钟系统的频移和不确定度进行估算,为后期全面评估两套光钟系统打下基础。
【关键词】：镱原子 激光冷却与囚禁 光晶格 光频标 碰撞频移 非均匀激发 频率锁定
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O431.2
【目录】：

• 摘要6-9
• Abstract9-13
• 目录13-17
• 插图和附表17-22
• 第一章 绪论22-36
• 1.1 研究背景及意义22-25
• 1.2 镱原子光钟国内外现状及挑战25-67
• 1.3 碰撞频移67-30
• 1.4 镱原子光钟的运行机制30-34
• 1.4.1 冷镱原子系统30-32
• 1.4.2 超窄线宽578nm钟激光32-33
• 1.4.3 探测与反馈系统33-34
• 1.5 本论文的内容安排34-36
• 第二章 镱原子光钟系统优化及钟跃迁谱线探测36-62
• 2.1 真空改进36-39
• 2.2 一级冷却399nm MOT39-41
• 2.3 二级冷却556nm MOT41-52
• 2.3.1 二级冷却与冷却光失谐量关系42-46
• 2.3.2 二级冷却与光强之间关系46-48
• 2.3.3 二级冷却与MOT磁场梯度关系48-51
• 2.3.4 二级冷却结果51-52
• 2.4 光晶格52
• 2.5 钟跃迁谱线探测52-61
• 2.6 本章小结61-62
• 第三章 光钟碰撞频移分析62-84
• 3.1 碰撞产生机理62-63
• 3.2 光晶格钟碰撞频移63-65
• 3.3 激发非均匀度65-67
• 3.4 碰撞频移67-73
• 3.4.1 碰撞频移与冷原子温度的关系69
• 3.4.2 碰撞频移与原子数的关系69-70
• 3.4.3 碰撞频移与晶格阱深的关系70-71
• 3.4.4 不同横纵温度条件下碰撞频移71-73
• 3.5 光缔合73-74
• 3.6 势阱光对光缔合能级产生的斯塔克频移74-82
• 3.6.1 ~1S_0-~1P_1动态极化率74-78
• 3.6.2 ~1S_0-~3P_1动态极化率78-81
• 3.6.3 势阱光产生的斯塔克频移81-82
• 3.7 本章小结82-84
• 第四章 镱原子光钟的频率锁定84-101
• 4.1 频率锁定方案84-88
• 4.1.1 单峰频率锁定84-86
• 4.1.2 双峰频率锁定86-88
• 4.2 频率锁定数据反馈及计算方法88-90
• 4.3 锁频Labview程序设计90-91
• 4.4 锁频结果91-95
• 4.4.1 Yb-1频率锁定91-93
• 4.4.2 Yb-2频率锁定93-95
• 4.5 同步与比对程序95-100
• 4.5.1 TTL时序同步95-98
• 4.5.2 频率比对Labview程序98-100
• 4.6 本章小结100-101
• 第五章 镱原子光钟频移分析101-113
• 5.1 碰撞频移101-103
• 5.2 塞曼频移103-104
• 5.3 光频移104-108
• 5.3.1 晶格光频移104-106
• 5.3.2 超极化率106-108
• 5.4 黑体辐射频移108-110
• 5.4.1 室温黑体辐射109
• 5.4.2 高温炉黑体辐射109-110
• 5.5 其他频移110-112
• 5.5.1 引力红移110
• 5.5.2 二阶多普勒频移110-111
• 5.5.3 伺服误差111-112
• 5.6 本章小结112-113
• 第六章 总结与展望113-117
• 6.1 博士期间工作总结及创新点113-115
• 6.2 进一步工作展望115-117
• 参考文献117-138
• 博士期间研究成果138-139
• 致谢139-140

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 周敏;黄良玉;徐信业;;Development of a frequency-stabilized 555.8-nm laser[J];Chinese Optics Letters;2013年12期

2 王文丽;叶捷;蒋海灵;毕志毅;马龙生;徐信业;;Frequency stabilization of a 399-nm laser by modulation transfer spectroscopy in an ytterbium hollow cathode lamp[J];Chinese Physics B;2011年01期

3 周敏;徐信业;;Theoretical study on isotope separation of an ytterbium atomic beam by laser deflection[J];Chinese Physics B;2014年01期

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本文编号：430189