【摘要】：時間是測量精度最高的物理量,在各個領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用�，F(xiàn)有時間的定義是基于133Cs原子基態(tài)的超精細能級躍遷,不確定度為10-16量級。伴隨著飛秒光梳的發(fā)明,使得光頻標(biāo)研究得到突飛猛進的發(fā)展。近些年很多光頻標(biāo)的系統(tǒng)不確定度己經(jīng)進入10-18量級,甚至部分進入了 10-19量級。這些進步對基礎(chǔ)物理的研究有著深遠的影響,比如精細結(jié)構(gòu)常數(shù)α的測量、相對論效應(yīng)的驗證等。鋁離子1S0-3P0的躍遷只有8 mHz的自然線寬,而且在眾多離子中對環(huán)境影響比較不敏感。鐘躍遷上下能級的極化率比較接近所以具有較小的斯塔克(Stark)頻移,包括光頻移和黑體輻射頻移。沒有電四極矩頻移,塞曼頻移較小等優(yōu)勢使得鋁離子光頻標(biāo)的多項影響不確定度都達到了 10-19量級。我們課題組開展了基于量子邏輯技術(shù)的鎂-鋁離子光頻標(biāo)的研究,本論文介紹了本人博士期間在鎂-鋁離子光頻標(biāo)研究方面的主要工作,它們包括:1.在實驗和理論上研究了鎂離子基態(tài)能級極化率。理論上利用二階微擾理論計算了鎂離子基態(tài)能級的極化率。鎂離子在拉曼(Raman)光的作用下會產(chǎn)生光頻移,會影響拉曼邊帶冷卻的效果,因此需要精確測量。實驗上利用微波共振實驗比較不同躍遷的光頻移從而測量得到鎂離子基態(tài)能級極化率的標(biāo)量和矢量分量的大小,測量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)與理論計算吻合。2.提出了利用鎂離子熒光和探測光偏振的關(guān)系原位(in-situ)測量真空窗口偏振效應(yīng)的方法,并進行了實驗驗證。該方法可以簡單、快速、高精度地原位測量真空窗口雙折射效應(yīng)。真空窗口雙折射效應(yīng)會影響透射光的偏振純度,從而影響鎂離子、鋁離子精密測量的精度。如何原位測量真空窗口雙折射效應(yīng)一直是個難點。我們理論上模擬了鎂離子熒光和激光偏振度的關(guān)系,提出利用鎂離子熒光測量激光偏振度的方案。實驗上利用穆勒(Mueller)矩陣對窗口偏振效應(yīng)進行計算,獲得窗口偏振度與補償波片角度的關(guān)系。實驗結(jié)果表明,在最佳波片角度組合情況下透射光偏振度好于0.999。利用測量的真空窗口雙折射效應(yīng)結(jié)果,對鋁離子躍遷激光的偏振度進行了對應(yīng)的純化。3.利用實驗測量的參數(shù)對現(xiàn)有系統(tǒng)中影響系統(tǒng)不確定度的主要影響因素進行了初步評估。利用拉曼邊帶帶躍遷信號評估了微運動頻移和宏運動頻移,其不確定度分別達到了0.3 × 10_18和0.1 × 10_18。利用微波共振測量了鎂離子基態(tài)塞曼能級的0→0和2→3的躍遷受磁場影響,評估了離子阱中心的磁場,包括直流分量和交流分量,進而評估了鋁離子的二階塞曼頻移,其不確定度達到1.0×10-17。利用軟件模擬仿真了離子阱中心處的溫度場,并計算得到直流極化率,結(jié)合二者的結(jié)果預(yù)測黑體輻射頻移的不確定度達到1.0 × 10-19。除了以上幾點本人獨立的工作之外,本人與小組成員合作搭建了實驗系統(tǒng),包括真空系統(tǒng)、離子阱系統(tǒng)和光路系統(tǒng)。參與設(shè)計和實現(xiàn)真空度好于10-8 Pa的真空系統(tǒng),實現(xiàn)了鎂-鋁離子的長時間囚禁。在本組前期工作的基礎(chǔ)上對離子阱共振器進行了改進,提高了共振器的Q值及穩(wěn)定度。光路系統(tǒng)中主要負責(zé)四倍頻激光器的維護和280納米激光器頻率的鎖定,保證其頻率和功率滿足實驗需求,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在此基礎(chǔ)上全程參與了鎂離子的多普勒冷卻、鎂-鋁離子對拉曼邊帶冷卻、鋁離子邏輯譜和鐘躍遷譜線的探測工作。
【圖文】：

圖 1-1 穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度示意圖準(zhǔn)確度描述原子躍遷頻率與真實頻率也就是頻率的“真值”之間的差異。原子所處環(huán)境會影響所測譜線的頻率，其中主要影響因素包括：運動頻移、光頻移、黑體輻射頻移、塞曼頻移、引力紅移等。不同原子之間其譜線性質(zhì)不同會導(dǎo)致主要影響因素

圖 1-2 各種噪聲對頻率穩(wěn)定度的影響量子投影噪聲的光頻標(biāo)穩(wěn)定度表示為[6]： ② ③ ② / ③ ，其比， 是原子數(shù)，， 是測量時間。光頻標(biāo)由原子種類不同分為離子頻子頻標(biāo)的離子數(shù)目一般為單個，原子頻標(biāo)利用光晶格可以囚禁幾百
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH714

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1 史田田;潘多;陳景標(biāo);;好壞腔雙波長主動光頻標(biāo)的實驗進展[J];時間頻率學(xué)報;2018年03期

2 管樺;黃W

本文編號：2628371