【摘要】：時間單位秒是國際單位制七個基本單位之中測量精度最高的基本單位,在科學(xué)研究和工程技術(shù)中的應(yīng)用是十分廣泛的。目前復(fù)現(xiàn)秒定義的計量裝置是銫原子噴泉鐘,但是其系統(tǒng)不確定度最高只到E-16量級,逐漸不再滿足高精尖科學(xué)研究的需求。目前,基于中性原子的光晶格鐘的最高水平已經(jīng)進(jìn)入了E-19量級,比現(xiàn)有的銫原子噴泉鐘高近三個量級,因此有望成為下一代的時間頻率基準(zhǔn)。為了應(yīng)對將來國際秒定義變更,國家授時中心必須擁有自主的光頻基準(zhǔn),研制高精度前瞻性時間頻率基準(zhǔn)鐘——光鐘,確保我國時間頻率基準(zhǔn)始終保持獨立自主、始終與國際接軌、始終保持連續(xù)運行。鍶原子最外層擁有兩個價電子,擁有豐富的能級和躍遷來滿足光鐘實驗的需求。禁戒躍遷(5s~2)~1S_0-(5s5p)~3P_0具有極窄自然線寬(1 mHz)和超高的品質(zhì)因子(E-17量級),是作為光鐘頻率參考的重要候選。鍶原子光鐘的工作原理是:俘獲在魔術(shù)波長光晶格中的冷原子作為鍶原子光鐘的頻率參考標(biāo)準(zhǔn),鎖定在超穩(wěn)參考腔的窄線寬鐘激光作為本地振蕩器,探測光晶格中的冷原子后獲得鐘躍遷譜線,利用反饋控制系統(tǒng)將鐘激光鎖定在鐘躍遷譜線上即實現(xiàn)了光鐘的閉環(huán)鎖定,最后飛秒光頻梳作為計數(shù)器用來讀取鐘激光的準(zhǔn)確頻率,并轉(zhuǎn)換成微波信號作為時間頻率標(biāo)準(zhǔn)供實際應(yīng)用。本文圍繞國家授時中心鍶原子光鐘的研制和評估,主要完成的實驗工作有:冷原子樣品制備、鐘躍遷譜線探測和閉環(huán)鎖定、自比對穩(wěn)定度及不確定度的評估和絕對頻率測量。(1)冷原子樣品制備:利用磁光阱技術(shù)實驗完成鍶原子的一級冷卻和二級冷卻,最終獲得的冷原子數(shù)目為2.3×10~6,溫度約為5μK;利用標(biāo)準(zhǔn)的PDH技術(shù)將813 nm半導(dǎo)體激光器鎖定到精細(xì)度為30000的超穩(wěn)參考腔,實現(xiàn)了鍶原子的光晶格裝載,光晶格壽命為1.6 s;利用σ~-或σ~+偏振的極化光對布居于基態(tài)的十個塞曼子能級的原子進(jìn)行泵浦,最終實現(xiàn)超過90%的原子布居于m_F=+9/2或m_F=-9/2的自旋極化態(tài)上,鐘躍遷譜線的最大激發(fā)率和信噪比都改善了約7倍。(2)鐘躍遷譜線探測和閉環(huán)鎖定:利用光纖相位噪聲消除系統(tǒng)將光纖相位噪聲對鐘激光頻率的影響降低到E-17量級,比鐘躍遷激光的本身的穩(wěn)定度高兩個量級;實驗探測了接近傅里葉線寬極限的邊帶可分辨鐘躍遷譜線、簡并譜、塞曼譜、自旋極化譜,根據(jù)邊帶可分辨鐘躍遷譜線推算出光晶格縱向原子溫度為4.2μK,獲得線寬最窄為3.9 Hz的自旋極化譜;利用線寬為6 Hz極化譜實驗實現(xiàn)了鍶原子光鐘的閉環(huán)鎖定,測量出鐘激光線性漂移速率為0.1794 Hz/s;利用聲光調(diào)制器補(bǔ)償鐘激光的線性漂移,根據(jù)閉環(huán)鎖定后的誤差信號計算環(huán)內(nèi)穩(wěn)定度,艾倫方差基本遵循1.6×10~(-15)/τ~(1/2)的趨勢,經(jīng)過2000 s積分后達(dá)到2.8×10~(-17)。(3)鍶原子光鐘性能評估:完成鍶原子光鐘自比對穩(wěn)定度和系統(tǒng)不確定度的評估;利用校準(zhǔn)過的鉑電阻溫度傳感器監(jiān)測真空腔體外表面的溫度,通過有限元分析模擬出原子團(tuán)所處位置的溫度,最終得到黑體輻射頻移總的修正量為-2.13(1)Hz,不確定度為2.4×10~(-17);通過原子團(tuán)高低密度自比對方法測量了碰撞頻移修正量為-0.13 Hz,不確定度為3.1×10~(-17),并且理論計算表明p波碰撞頻移至少為s波的15倍;通過控制晶格光功率測量晶格光AC Stark頻移,測量得到光晶格魔術(shù)波長368554042 MHz,相對不確定度為8.0×10~(-17),實際閉環(huán)時晶格光工作波長引起頻移量為0.8 Hz,總的不確定度為8.7×10~(-17);通過測量閉環(huán)運行時兩個極化峰間距,得到鍶原子光鐘二階塞曼頻移修正量為4.1×10~(-17),不確定度為1.8×10~(-18);設(shè)計了鍶原子鐘躍遷絕對躍遷頻率時國際秒定義溯源方案,為下一步進(jìn)行鍶原子鐘躍遷絕對頻率奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家授時中心)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH714.14
【圖文】：

長度的基本單位米可以通過物理常數(shù)光速與秒直接聯(lián)系起來，如圖1.1 所示。在1967年召開的第13屆國際計量大會上，通過了基于銫原子躍遷的秒定義：秒是無干擾情況下銫 133 原子（133Cs）基態(tài)的兩個超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)輻

高精度前瞻性時間頻率基準(zhǔn)鐘——光鐘，確保我國時間頻率基準(zhǔn)始主、始終與國際接軌、始終保持連續(xù)運行。鐘研究進(jìn)展年來，飛秒光梳的發(fā)明、半導(dǎo)體激光器技術(shù)的成熟、基于超高精細(xì)線寬激光、激光的倍頻技術(shù)和激光冷卻與俘獲等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展光鐘的發(fā)展。鐘是以原子的光學(xué)波段躍遷為頻率參考的時間頻率基準(zhǔn)。從原子體本分為基于單個離子的離子光鐘和基于多個中性原子的光晶格鐘[1利用較多的是 Hg+、Ba+、Yb+、Sr+、Ca+、Al+、In+、Mg+等元素。格鐘中研制較多的是基于堿土金屬（Mg、Ca、Sr 或類堿土金屬 Y子光晶格鐘和費米子光晶格鐘[12]，如圖 1.2 所示。從光鐘運行方式以分為被動型光鐘和主動型光鐘。

鍶原子光鐘的研制和評估研制光晶格鐘[20]。2005 年研制成功了世界上1]。2018 年，該組又提出了魔術(shù)光強(qiáng)的概念[高水平奠定了基礎(chǔ)。光鐘為例說明中性原子光晶格鐘的原理，如中的冷原子作為鍶原子光鐘的頻率參考標(biāo)準(zhǔn)為鐘激光相當(dāng)于本地振蕩器，鐘激光探測光利用反饋控制系統(tǒng)將鐘激光頻率鎖定在鐘躍最后飛秒光頻梳作為計數(shù)器用來讀取鐘激光時間頻率標(biāo)準(zhǔn)供實際應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 莊偉;陳景標(biāo);;主動光鐘的研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報;2015年21期

本文編號：2786122