【摘要】：光晶格鍶原子鐘測(cè)量精度已達(dá)到10~(-19)量級(jí),是當(dāng)前世界上精度最高的原子鐘,并有望成為新一代時(shí)間頻率基準(zhǔn)。為了更好地開展以光鐘為基礎(chǔ)的前沿科學(xué)技術(shù)研究、基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)以及其他應(yīng)用,將高精度鍶光鐘與空間站獨(dú)有的微重力環(huán)境相結(jié)合研制空間冷原子鍶光鐘成為一個(gè)新的研究方向。鑒于光鐘系統(tǒng)組件較多,錯(cuò)綜復(fù)雜且自身體積龐大,同時(shí)受空間站特殊環(huán)境條件限制,最終要完成空間冷原子光鐘的研制,目前面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是將整個(gè)光鐘系統(tǒng)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。本文圍繞小型化鍶光鐘物理系統(tǒng)的研制目標(biāo)展開,實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了鍶光鐘物理系統(tǒng)的小型化研制。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用了真空內(nèi)加熱鍶Dispenser作為產(chǎn)生原子束的裝置,成功實(shí)現(xiàn)了高束流密度、低功耗和小體積的鍶原子源。同時(shí)設(shè)計(jì)了多組份獨(dú)立型通電線圈式塞曼減速器并測(cè)試了其減速效率,其可將16.4%的原子減速至75 m/s。創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了真空腔內(nèi)置反亥姆霍茲線圈,實(shí)驗(yàn)中其產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)梯度43 Gs/cm,單個(gè)線圈功耗低于0.5 W,且線圈之間距離極大地縮小。利用該線圈構(gòu)成的磁光阱不僅體積小、質(zhì)量輕,而且實(shí)驗(yàn)過程中所需電流小,功耗低。最終使光鐘物理系統(tǒng)體積極大地縮小,初步完成的小型化鍶光鐘物理系統(tǒng)體積約為地面實(shí)驗(yàn)室鍶光鐘物理系統(tǒng)體積的1/10。基于小型化鍶光鐘物理系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了鍶原子的一級(jí)Doppler冷卻。通過熒光收集法測(cè)得~(88)Sr冷原子團(tuán)的原子數(shù)目為1.6×10~6,短程飛行時(shí)間法測(cè)得其溫度約為10.6 mK。同時(shí)還對(duì)其他鍶同位素原子團(tuán)進(jìn)行了觀測(cè),測(cè)得~(87)Sr原子數(shù)目為1.5×10~5。此外,研究了707 nm和679 nm重泵浦激光對(duì)鍶冷原子裝載效率的影響,結(jié)果重泵浦激光的加入使得俘獲冷原子數(shù)目增加約5倍。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了環(huán)型永磁體塞曼減速器并測(cè)試了其性能,同時(shí)對(duì)可能影響其減速效率的因素:減速光失諧、鍶爐溫度、減速光功率進(jìn)行了研究。此外,利用多組份獨(dú)立型通電線圈式塞曼減速器進(jìn)行了最小減速器長(zhǎng)度以及減速器最優(yōu)化磁場(chǎng)分布的研究。實(shí)驗(yàn)當(dāng)減速器長(zhǎng)度處在8~12 cm范圍內(nèi)時(shí),最終俘獲冷原子數(shù)仍在10~6量級(jí),約占原子總數(shù)的11%。同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得最優(yōu)化磁場(chǎng)分布曲線可對(duì)重新研制永磁體型塞曼減速器提供指導(dǎo)。
【圖文】：

圖 2.2 鍶光鐘的真空物理系統(tǒng)示意圖整個(gè)真空物理系統(tǒng)放置在一個(gè)3 m × 1.2m的光學(xué)平臺(tái)上，使用多根無磁不銹鋼立柱支撐并固定在光學(xué)平臺(tái)上，體積約為150 cm × 50 cm × 40cm。系統(tǒng)由 10 個(gè)主要部件構(gòu)成。在圖 2.2 中，部件 1 為光鐘系統(tǒng)的鍶原子產(chǎn)生裝置，通常也稱為鍶原子爐，，它為系統(tǒng)提供高純度的鍶原子樣品。由鍶爐直接產(chǎn)生的鍶原子束速度較高實(shí)驗(yàn)上將鍶爐設(shè)計(jì)成彎折型結(jié)構(gòu)可使得噴出的鍶原子束更加穩(wěn)定。如圖 2.3 所示，其采用不銹鋼管制成，全長(zhǎng) 15 cm。圖 2.3 鍶爐結(jié)構(gòu)示意圖

塞曼減速器，全長(zhǎng) 38cm，由 10 組大小完全相同的獨(dú)立無磁鋼板隔開。每個(gè)線圈均使用銅線進(jìn)行繞制，銅線直徑15 層 450 匝，且 10 個(gè)線圈分別接 10 個(gè)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)壓電源獨(dú)立、快速的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)，便于不斷優(yōu)化各個(gè)線圈的磁場(chǎng)大減速效率。該減速器可以使鍶原子速度從 500m/s 減小至低卻原子的要求。 為鍶光鐘物理系統(tǒng)的核心部分真空腔，真空腔是最終俘探測(cè)的場(chǎng)所。如圖 2.4，真空腔體采用 314 不銹鋼材料制成平方向有 12 個(gè)窗口，豎直方向上下各一個(gè)，共有 14 個(gè)驗(yàn)中俘獲及冷卻激光由各個(gè)窗口射入腔內(nèi)共同和鍶原子減速器進(jìn)入真空腔的部分鍶原子仍具有較高的速度，為了在窗口形成鍍膜，實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)和減速器相對(duì)的鈦寶石窗
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM935.115

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 高峰;鍶光鐘的原子冷卻及互組躍遷譜線測(cè)量[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（國(guó)家授時(shí)中心）;2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 田曉;鍶光晶格鐘一級(jí)冷卻的實(shí)現(xiàn)[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（國(guó)家授時(shí)中心）;2010年

本文編號(hào)：2710327