本文關鍵詞：冷鐿原子光鐘的頻率鎖定及碰撞頻移分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：光鐘作為新一代頻標候選之一,因其超低的頻率不確定度和不穩(wěn)定性潛力,已經(jīng)超越了現(xiàn)行時間頻率標準銫噴泉鐘,有望成為下一代時間頻率標準。精確的時間頻率基準不僅可以作為高精度守時與授時基準,同時也將推動精密導航、測地學、基礎物理等甚至更深層次領域科學研究的發(fā)展。光鐘主要分為兩類,一類是將單離子囚禁在四極阱中的離子光鐘,其頻率不確定度可達10-18數(shù)量級；但是因為每次探測過程中,只有一個離子,需要長時間積分才能達到較低量級的不穩(wěn)定性。另一類是中性原子光鐘,在光晶格中同時囚禁大量原子；大量原子同時探測,提高了探測信號的信噪比,因此中性原子光鐘的不穩(wěn)定性要低于離子光鐘幾個量級。受益于光晶格技術,這些原子被囚禁在Lamb-Dicke區(qū)域,并且被分配到不同的晶格格點中,不僅抑制了多普勒頻移和反沖頻移,同時大大降低了原子間的碰撞頻移。目前國際上正在熱門研制的是鐿原子光鐘和鍶原子光鐘,其中鍶原子光鐘的頻率不確定度和不穩(wěn)定性均可達到10-18數(shù)量級；鐿原子光鐘的不穩(wěn)定性也已經(jīng)達到10-18數(shù)量級,而其不確定度仍在10-16數(shù)量級,有待于進一步提高。華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室近年來一直致力于兩套冷鐿原子光晶格鐘Yb-1和Yb-2的研制。在我們近些年來的實驗中,分別得到了較好的兩級冷卻結果,成功的將冷原子裝載到光晶格中,并且在Yb-2中實現(xiàn)了鐘躍遷譜線的精密測量,這些在我們早期的論文中均有介紹。在此基礎上,我的主要工作是對Yb-1進行改進,通過對實驗參數(shù)的優(yōu)化,得到溫度為6μK的冷原子,并且在Yb-1中也得到了線寬較窄的鐘躍遷譜線；基于Labview編程軟件,編寫了頻率鎖定程序,分別成功應用于Yb-1和Yb-2的頻率鎖定,并且可以實現(xiàn)Yb-1和Yb-2的時序同步與數(shù)據(jù)同步傳遞；理論上對由非均勻激發(fā)引入的碰撞頻移及其不確定度進行了分析。本文工作首先著重于對Yb-1真空系統(tǒng)的改進,相對于之前由兩個離子泵維持真空的基礎上增加了一個鈦升華泵。真空度的提升,可以減少背景原子與冷原子之間的碰撞,抑制單體碰撞效應,增加磁光阱的壽命,得到更多的冷原子。并且我們對二級冷卻進行了細致的優(yōu)化,實驗上測量并分析冷原子溫度、原子數(shù)和原子密度分別隨二級冷卻光的失諧量、光強和磁光阱的磁場梯度之間的變化關系。根據(jù)實驗結果,選擇最佳的實驗條件,可以得到接近其多普勒極限的冷原子溫度,并將冷原子裝載到光晶格中進行鐘躍遷譜線的探測。在兩套光鐘中,分別得到了得到了線寬為56 Hz和6 Hz的鐘躍遷譜線。在對光鐘進行系統(tǒng)頻移分析時,碰撞頻移是系統(tǒng)不確定度進一步降低的主要局限之一。由于泡利不相容原理,全同費米子不可能占據(jù)同一狀態(tài),不存在碰撞頻移。鑒于這一優(yōu)勢,費米子光鐘曾廣泛受到各研究小組的青睞。但是近幾年的研究表明,費米子光鐘中也存在碰撞頻移,其產(chǎn)生原因是在鐘躍遷譜線探測過程中,鐘激光和晶格光的不完全重合而導致的非均勻激發(fā)引起的。對于鍶原子由非均勻激發(fā)引起碰撞頻移,通過改變原子間的相互作用能來增大虛擬自旋單重態(tài)和三重態(tài)之間的能量差的方法,可以將碰撞頻移限制在10-17數(shù)量級。鐿原子與鍶原子不同,鐿原子二級冷卻的多普勒極限溫度為4.5 μK,而典型的實驗冷卻結果為幾十μK；鍶原子二級冷卻的多普勒極限溫度為0.4μK,其典型的實驗冷卻結果為幾個μK,相比鐿原子小一個數(shù)量級,因此其非均勻激發(fā)引起的碰撞頻移要比鐿原子小�；诖�,本文對171Yb原子由非均勻激發(fā)引入的碰撞頻移及其不確定度進行了詳細的理論分析,得出在不同冷原子溫度、原子數(shù)和光晶格阱深條件下的碰撞頻移關系。根據(jù)我們理論分析結果,碰撞頻移的不確定度在10-19數(shù)量級。在此基礎上,對兩套獨立運行的冷鐿原子光晶格鐘Yb-1和Yb-2分別實現(xiàn)了單峰頻率鎖定,將本地鐘激光鎖定在冷原子躍遷譜線上。本地鐘激光的短期穩(wěn)定性好,但是冷原子的長期穩(wěn)定性優(yōu)于鐘激光系統(tǒng),因此將鐘激光頻率鎖定在原子躍遷譜線上,可以實現(xiàn)整個光鐘系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。并得到以艾倫偏差表征的穩(wěn)定性：Yb-1為1.47×10-13(?)τ,長期穩(wěn)定性7.35×10-15@400s；Yb-2為4.54×10-15(?)τ,長期穩(wěn)定性1×10-16@1000s；。利用型號DS 345的信號發(fā)生器校正兩套光鐘的6259系列數(shù)據(jù)采集板卡的采樣時鐘,可以實現(xiàn)兩套光鐘同步運行與比對,這有利于消除共模噪聲；同步運行以及數(shù)據(jù)同步傳遞,可以實現(xiàn)兩套光鐘系統(tǒng)的拍頻和頻率比對測量。最后本文還簡單的對兩套鐿原子光鐘系統(tǒng)的頻移和不確定度進行估算,為后期全面評估兩套光鐘系統(tǒng)打下基礎。
【關鍵詞】：鐿原子 激光冷卻與囚禁 光晶格 光頻標 碰撞頻移 非均勻激發(fā) 頻率鎖定
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O431.2
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-13
• 目錄13-17
• 插圖和附表17-22
• 第一章 緒論22-36
• 1.1 研究背景及意義22-25
• 1.2 鐿原子光鐘國內外現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)25-67
• 1.3 碰撞頻移67-30
• 1.4 鐿原子光鐘的運行機制30-34
• 1.4.1 冷鐿原子系統(tǒng)30-32
• 1.4.2 超窄線寬578nm鐘激光32-33
• 1.4.3 探測與反饋系統(tǒng)33-34
• 1.5 本論文的內容安排34-36
• 第二章 鐿原子光鐘系統(tǒng)優(yōu)化及鐘躍遷譜線探測36-62
• 2.1 真空改進36-39
• 2.2 一級冷卻399nm MOT39-41
• 2.3 二級冷卻556nm MOT41-52
• 2.3.1 二級冷卻與冷卻光失諧量關系42-46
• 2.3.2 二級冷卻與光強之間關系46-48
• 2.3.3 二級冷卻與MOT磁場梯度關系48-51
• 2.3.4 二級冷卻結果51-52
• 2.4 光晶格52
• 2.5 鐘躍遷譜線探測52-61
• 2.6 本章小結61-62
• 第三章 光鐘碰撞頻移分析62-84
• 3.1 碰撞產(chǎn)生機理62-63
• 3.2 光晶格鐘碰撞頻移63-65
• 3.3 激發(fā)非均勻度65-67
• 3.4 碰撞頻移67-73
• 3.4.1 碰撞頻移與冷原子溫度的關系69
• 3.4.2 碰撞頻移與原子數(shù)的關系69-70
• 3.4.3 碰撞頻移與晶格阱深的關系70-71
• 3.4.4 不同橫縱溫度條件下碰撞頻移71-73
• 3.5 光締合73-74
• 3.6 勢阱光對光締合能級產(chǎn)生的斯塔克頻移74-82
• 3.6.1 ~1S_0-~1P_1動態(tài)極化率74-78
• 3.6.2 ~1S_0-~3P_1動態(tài)極化率78-81
• 3.6.3 勢阱光產(chǎn)生的斯塔克頻移81-82
• 3.7 本章小結82-84
• 第四章 鐿原子光鐘的頻率鎖定84-101
• 4.1 頻率鎖定方案84-88
• 4.1.1 單峰頻率鎖定84-86
• 4.1.2 雙峰頻率鎖定86-88
• 4.2 頻率鎖定數(shù)據(jù)反饋及計算方法88-90
• 4.3 鎖頻Labview程序設計90-91
• 4.4 鎖頻結果91-95
• 4.4.1 Yb-1頻率鎖定91-93
• 4.4.2 Yb-2頻率鎖定93-95
• 4.5 同步與比對程序95-100
• 4.5.1 TTL時序同步95-98
• 4.5.2 頻率比對Labview程序98-100
• 4.6 本章小結100-101
• 第五章 鐿原子光鐘頻移分析101-113
• 5.1 碰撞頻移101-103
• 5.2 塞曼頻移103-104
• 5.3 光頻移104-108
• 5.3.1 晶格光頻移104-106
• 5.3.2 超極化率106-108
• 5.4 黑體輻射頻移108-110
• 5.4.1 室溫黑體輻射109
• 5.4.2 高溫爐黑體輻射109-110
• 5.5 其他頻移110-112
• 5.5.1 引力紅移110
• 5.5.2 二階多普勒頻移110-111
• 5.5.3 伺服誤差111-112
• 5.6 本章小結112-113
• 第六章 總結與展望113-117
• 6.1 博士期間工作總結及創(chuàng)新點113-115
• 6.2 進一步工作展望115-117
• 參考文獻117-138
• 博士期間研究成果138-139
• 致謝139-140

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 周敏;黃良玉;徐信業(yè);;Development of a frequency-stabilized 555.8-nm laser[J];Chinese Optics Letters;2013年12期

2 王文麗;葉捷;蔣海靈;畢志毅;馬龍生;徐信業(yè);;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;徐信業(yè);;Theoretical study on isotope separation of an ytterbium atomic beam by laser deflection[J];Chinese Physics B;2014年01期

  本文關鍵詞：冷鐿原子光鐘的頻率鎖定及碰撞頻移分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：430189