【摘要】：時(shí)間是度量物質(zhì)運(yùn)動的基本參量,也是物理量中測量精度最高的�！懊搿笔菚r(shí)間單位,1967年第十三屆國際計(jì)量大會通過了基于銫原子的“原子秒”定義:位于海平面上的銫-133(~(133)Cs)原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級間在零磁場中躍遷振蕩9192631770周期所持續(xù)的時(shí)間為一個(gè)原子時(shí)秒。能夠復(fù)現(xiàn)上述“秒”定義的基準(zhǔn)裝置是銫原子噴泉鐘�！懊搿倍x的頻率是指海平面處無干擾的銫133原子兩個(gè)超精細(xì)能級之間的躍遷頻率,實(shí)際環(huán)境中受到外部物理效應(yīng)的影響以及內(nèi)部原子間的相互作用,原子的諧振頻率并不等于“秒”定義對應(yīng)的頻率值,原子的諧振頻率相對于秒定義的偏離稱為“頻移”,這些頻移的不確定度是表征銫原子噴泉鐘性能的最重要指標(biāo)。中國科學(xué)院國家授時(shí)中心產(chǎn)生和保持國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC),而本地原子時(shí)TA(NTSC)的準(zhǔn)確度依賴于滯后一個(gè)月的國際計(jì)量局的時(shí)間頻率公報(bào)。自主研制銫原子噴泉鐘可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)標(biāo)校TA(NTSC),提高國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)的性能。本文圍繞改進(jìn)銫原子噴泉鐘NTSC-F1的性能——頻率穩(wěn)定度和頻率不確定度展開研究,對影響銫原子噴泉鐘的各項(xiàng)噪聲源的物理機(jī)制進(jìn)行了分析,發(fā)展了提高飛行時(shí)間信號信噪比的技術(shù),提高了NTSC-F1的頻率穩(wěn)定度;同時(shí),開展了銫原子噴泉鐘NTSC-F1主要頻移項(xiàng)二階塞曼頻移的評定工作,利用兩種方法對原子運(yùn)行路徑上的均勻弱磁場(C場)進(jìn)行精確測量,嚴(yán)格的分析表明二階塞曼頻移的測量不確定度為1.08×10~(-16)。具體的研究內(nèi)容如下:1.提高飛行時(shí)間信號(TOF)信噪比的技術(shù)研究。通過提高TOF信號強(qiáng)度、降低TOF信號噪聲改進(jìn)TOF信號的信噪比。(1)改進(jìn)二維磁光阱的真空系統(tǒng),以減小由真空變化引起的原子噴泉回落原子數(shù)的起伏。將原有的環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)玻璃板和金屬腔體的真空密封方式,改進(jìn)為壓銦絲密封的方式。改進(jìn)后的二維磁光阱可以持續(xù)提供冷原子束流,增強(qiáng)了飛行時(shí)間信號強(qiáng)度。改進(jìn)后銫原子噴泉鐘物理系統(tǒng)真空度的起伏比改進(jìn)之前降低了兩個(gè)量級。實(shí)驗(yàn)測量噴泉管位置真空度的改變量被限制在1×10~(-7)Pa范圍以內(nèi),由真空變化引起的回落原子數(shù)起伏小于10%。(2)降低冷原子黏團(tuán)溫度以提高飛行時(shí)間信號強(qiáng)度。優(yōu)化亥姆霍茲線圈補(bǔ)償?shù)卮艌黾夹g(shù),使磁光阱中心1cm范圍內(nèi)的磁場起伏小于30nT,原子溫度從10μK降低為3μK,原子黏團(tuán)飛行過程中的原子數(shù)損耗變小,飛行時(shí)間信號變強(qiáng)。(3)改進(jìn)雙能級探測系統(tǒng),降低探測光的功率噪聲。優(yōu)化雙能級探測系統(tǒng)的光路,針對探測光功率起伏的問題,給探測光添加功率穩(wěn)定環(huán)路。功率穩(wěn)定環(huán)路激光樣品的獲取采用白玻璃片反射的方式,相比傳統(tǒng)的偏振棱鏡,白玻璃片反射光功率變化與出射光的偏振無關(guān),這種方式研制的功率穩(wěn)定環(huán)路既能遏制激光功率的直接變化,也能遏制由偏振變化引起的激光功率的間接變化。使用這種方式研制的功率穩(wěn)定環(huán)路可以實(shí)現(xiàn)雙能級探測光的同時(shí)穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明功率穩(wěn)定以后探測光的相對強(qiáng)度噪聲小于10~(-7)/f(Hz~(-1)),單純由探測光功率起伏引起的銫原子噴泉鐘的不穩(wěn)定程度小于1.4×10~(-14)(τ)~(-1/2)(τ=1~40000s)。2.改進(jìn)NTSC-F1的光學(xué)系統(tǒng),消除探測光功率的長期變化,提高NTSC-F1的長期運(yùn)行能力。光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是影響銫原子噴泉鐘長期運(yùn)行的主要因素。實(shí)驗(yàn)中使用一臺商用半導(dǎo)體激光器作為光源提供銫原子噴泉鐘運(yùn)行所需要的冷卻光和探測光。應(yīng)用全金屬、小型化的光學(xué)元件搭建光路,以提高光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和空間光到光纖的耦合效率。設(shè)計(jì)貓眼結(jié)構(gòu)的聲光調(diào)制器雙次通過光路,以減小偏振梯度冷卻階段冷卻光頻率變化與功率變化的相互影響。使用無振動的機(jī)械開關(guān)對激光束進(jìn)行物理關(guān)斷,以減小機(jī)械振動對激光器穩(wěn)定性的影響。光學(xué)系統(tǒng)功率監(jiān)測實(shí)驗(yàn)表明,光學(xué)系統(tǒng)一次鎖定可以無干擾正常運(yùn)行時(shí)間超過1個(gè)月,其間激光總功率僅變化3%,完全符合噴泉鐘長期運(yùn)行的要求。3.二階塞曼頻移的評定技術(shù)研究。應(yīng)用低頻躍遷法測量銫原子噴泉鐘激勵(lì)腔及自由飛行區(qū)的磁場分布。應(yīng)用交流退磁法對磁屏蔽退磁以優(yōu)化C場的空間分布。研制高穩(wěn)定性的C場電流源以減小C場隨時(shí)間的變化。應(yīng)用國際通用的測量磁敏能級Ramsey躍遷中心條紋的方法,測量了二階塞曼頻移的頻移量,從C場的空間均勻性、時(shí)間穩(wěn)定性兩個(gè)方面對二階塞曼頻移的測量不確定度進(jìn)行了評定。評定結(jié)果表明NTSC-F1二階塞曼頻移的測量不確定度為1.08×10~(-16)。4.激勵(lì)腔與自由飛行區(qū)磁場平均值不相等引起鐘躍遷頻移的研究。原子團(tuán)與激勵(lì)腔的作用實(shí)際包含了兩次Rabi過程和一段時(shí)間的自由演化過程,兩種作用過程都與磁場有關(guān)。但是磁場在這兩種過程中產(chǎn)生頻移的機(jī)理并不完全相同。傳統(tǒng)的銫原子噴泉鐘二階塞曼頻移的研究只是關(guān)注了由磁場引起的頻移,而沒有區(qū)分兩種過程產(chǎn)生頻移的差別。激勵(lì)腔與自由飛行區(qū)磁場平均值不相等會對鐘躍遷產(chǎn)生影響從而產(chǎn)生頻移。本文首次對這一頻移進(jìn)行了研究,理論上研究了這項(xiàng)頻移的產(chǎn)生機(jī)理和測量方法,實(shí)驗(yàn)上以NTSC-F1為平臺測量了這項(xiàng)頻移的相對頻移量為10~(-17)量級。5.高性能磁屏蔽研究。銫原子噴泉鐘二階塞曼頻移、Rabi與Ramsey牽引頻移以及Majorana躍遷頻移都與磁屏蔽裝置的性能有關(guān)。NTSC-F1磁屏蔽裝置原始磁場均勻區(qū)僅有6cm,磁場的均勻性依靠多組補(bǔ)償線圈調(diào)整實(shí)現(xiàn),這就增加了噴泉鐘系統(tǒng)的復(fù)雜程度與不穩(wěn)定性。我們從磁屏蔽的原料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和退磁方式三個(gè)方面對銫原子噴泉鐘的磁屏蔽裝置進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)上獲得了磁屏蔽筒軸線方向51cm的磁場均勻區(qū)。
【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(shí)中心)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH714.14
【圖文】：

NTSC-F1 銫原子噴泉鐘性能改進(jìn)及二階塞曼頻移研究larion 小組研制出第一臺銫原子噴泉鐘 FO1[11]，199性能超過了當(dāng)時(shí)最好的銫束鐘。此后，銫原子噴泉鐘率基準(zhǔn)。泉鐘以冷原子黏團(tuán)為工作樣品，應(yīng)用移動光學(xué)黏團(tuán)技Hz 或 10MHz 的本地晶體振蕩器通過頻率綜合器轉(zhuǎn)相接近的微波輸入激勵(lì)腔。原子黏團(tuán)上升、下落兩發(fā)生 Ramsey 躍遷，Ramsey 躍遷概率與微波場的頻振蕩器使 Ramsey 躍遷概率最大，就可以使本地晶體[11][12]。銫原子噴泉鐘的具體工作過程如圖 1.1 所示

價(jià)原子鐘第三至五場理論和銫原子噴泉圖 2.1 所系統(tǒng)、控分；光學(xué)括選態(tài)腔采集系統(tǒng)開關(guān)電路子俘獲、性能的兩個(gè)五節(jié)對與銫原二階塞曼頻泉鐘的結(jié)構(gòu)所示，一臺完控制系統(tǒng)和電系統(tǒng)包括實(shí)腔微波鏈路和統(tǒng)和伺服控制路和探測信號上拋、選態(tài)個(gè)重要指標(biāo)原子噴泉鐘頻移理論進(jìn)構(gòu)完整的銫原電子學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺空間和激勵(lì)腔微制系統(tǒng)三個(gè)號放大電路態(tài)、激勵(lì)、標(biāo)——頻率穩(wěn)鐘研究相關(guān)的進(jìn)行了介紹。原子噴泉鐘包統(tǒng)五個(gè)部分。光路和探測微波鏈路兩部個(gè)部分；電子路兩部分。銫探測、伺服穩(wěn)定度和頻的理論包括包括物理系。物理系統(tǒng)測區(qū)光路兩部分；控制子學(xué)系統(tǒng)包銫原子噴泉服控制等一頻率準(zhǔn)確度進(jìn)括激光冷卻原系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)包括真空系兩部分[39]；微制系統(tǒng)包括時(shí)包括給磁場線泉鐘各系統(tǒng)按一系列過程[4進(jìn)行了詳細(xì)原子理論、系統(tǒng)、微波系統(tǒng)和磁場微波頻率綜時(shí)序控制系線圈供電的按照設(shè)定程40]。細(xì)波場綜系的程

2.8 σ+-σ-組態(tài)光場偏振沿 z 軸的變annoudji還討論了另外一種形-σ-圓偏振光組成，空間上表現(xiàn)場。由圖2.6的CG系數(shù)可知在可能發(fā)生Sisyphus冷卻。23161212121216

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