原子噴泉鐘是具有重要應(yīng)用價值的冷原子裝置,緊湊型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計是研制可搬運冷原子噴泉鐘的關(guān)鍵技術(shù)之一。介紹了一種以通用鋁型材搭建的網(wǎng)格化光學(xué)平臺,并基于此平臺實現(xiàn)了⁸⁵Rb噴泉鐘緊湊型光路。通過仿真,證明了該型材網(wǎng)格平臺在二維方向均具有較好的力學(xué)性能。在該平臺上,設(shè)計并搭建了四倍頻移、注入鎖定放大、冷卻光路、再泵浦光路和探測光路等單元模塊,滿足了噴泉鐘的所有要求。該網(wǎng)格平臺面積為50 cm×50 cm,高度為2.5～3 cm。該光路實現(xiàn)了8個月以上的持續(xù)運行,功率的起伏小于5%。基于該緊湊型光學(xué)系統(tǒng),完成了后續(xù)的⁸⁵Rb噴泉鐘的物理實驗和微波實驗。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報. 2020,40(18)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

85Rb噴泉鐘的工作能級與時序。(a) D2線超精細(xì)能級結(jié)構(gòu)與相關(guān)躍遷;(b)噴泉鐘運行時序

圖2(a)為85Rb原子的D2線(基態(tài)能級52S1/2到第一激發(fā)態(tài)能級52P3/2的躍遷譜線)超精細(xì)結(jié)構(gòu)及冷卻、再泵浦、探測等過程中的相關(guān)躍遷示意圖。利用基態(tài)|F=3〉與激發(fā)態(tài)|F′=4〉間的循環(huán)躍遷實現(xiàn)85Rb原子的冷卻,冷卻光為負(fù)失諧,失諧量為2Г～3Г(Г為激發(fā)態(tài)的自然線寬),探測光的正失諧量為Г/2。為了保證冷卻過程的持續(xù)進(jìn)行,以基態(tài)|F=2〉躍遷到激發(fā)態(tài)|F′=3〉的共振光作為再泵浦光,并將其用于雙能級探測過程。圖2(b)為噴泉鐘運行的時序圖,其中Bgradient為磁場梯度大小,f為基態(tài)|F=3〉到激發(fā)態(tài)|F′=4〉的躍遷頻率,Δv為失諧量,Irepump1為冷卻過程中再泵浦光的光強,Icool為冷卻光的光強,PRamsey為Ramsey腔的微波功率,Iprobe為探測光的光強,Ipush為探測區(qū)的行波場光強,Irepump2為雙能級探測中再泵浦光的光強。采用折疊光路方案[23],將兩束入射光變換為三對傳播方向和偏振方向均相反的激光;冷卻并俘獲背景熱原子后,通過調(diào)節(jié)兩束入射光,產(chǎn)生頻率失諧且豎直向上的光場輻射壓力,在該輻射壓力作用下冷原子作上拋運動,之后自由下落到探測區(qū),依次通過上探測區(qū)駐波場[此時探測上能級原子的飛行時間 (Time of flight,TOF) 信號]、行波場 (趕走上能級原子)、再泵浦光駐波場(將下能級原子抽運到上能級)、下探測區(qū)駐波場(探測原下能級原子的TOF信號),實現(xiàn)了雙能級探測,其中行波場與上探測區(qū)的駐波場來自同一束光。圖2 85Rb噴泉鐘的工作能級與時序。(a) D2線超精細(xì)能級結(jié)構(gòu)與相關(guān)躍遷;(b)噴泉鐘運行時序

已有的87Rb噴泉鐘激光器具有優(yōu)越的性能,例如線寬很窄、可以數(shù)月連續(xù)運行、鎖定以后幾乎不失鎖等,因此希望85Rb噴泉鐘能采用該激光源,但受當(dāng)前實驗條件限制,無法再添加一臺。設(shè)87Rb的|F=2〉→|F′=2〉躍遷對應(yīng)的躍遷譜線為L1,87Rb的|F=2〉→|F′=3〉躍遷對應(yīng)的躍遷譜線為L2,85Rb的|F=3〉→|F′=3〉躍遷對應(yīng)的躍遷譜線為L3,85Rb的|F=3〉→|F′=4〉躍遷對應(yīng)的躍遷譜線為L4,L3與L4的交叉峰比L1與L2的交叉峰高約1.2 GHz[圖2(a)],兩者的基態(tài)超精細(xì)躍遷頻率很接近,從光路上講,增加一個210 MHz的四次頻移系統(tǒng)即可實現(xiàn)85Rb噴泉鐘與87Rb噴泉鐘共用激光源,且難度不大,所以本文采用大范圍頻移方案,如圖3所示,其中2-3?2-2表示L1與L2的交叉峰頻率,FEOM為光纖電光調(diào)制器。由光纖引入87Rb噴泉鐘的主激光并將其作為85Rb光路的種子光,種子光通過聲光調(diào)制器AOM1(210 MHz)后,發(fā)生了0.84 GHz的四倍正頻移(four pass);一部分光(1～2 mW)被分出,其功率被注入鎖定放大模塊放大(大于80 mW);放大后的光再通過AOM2(125 MHz),發(fā)生了0.25 GHz的雙倍正頻移(double pass);對應(yīng)輸出光被等分為兩路并分別通過AOM3、AOM4(79 MHz),發(fā)生了0.158 GHz的雙倍正頻移,此時共計頻移1.248 GHz。AOM3、AOM4輸出光是負(fù)失諧,失諧頻率為12 MHz(對應(yīng)躍遷|F=3〉→|F′=4〉),將其作為兩路冷卻光。經(jīng)四倍正頻移的大部分光(約20 mW)被分為兩路,一路經(jīng)AOM5(211.5 MHz)以實現(xiàn)0.423 GHz的雙倍正頻移,共計頻移1.263 GHz,對應(yīng)的輸出光是正失諧,失諧頻率為3 MHz(對應(yīng)躍遷|F=3〉→|F′=4〉),將其作為探測光;由于再泵浦光與躍遷|F=2〉→|F′=3〉共振耦合,故另一路經(jīng)AOM6實現(xiàn)0.08 GHz的單倍正頻移(single pass)后,再通過光纖電光調(diào)制器實現(xiàn)3.256 GHz的頻移,對應(yīng)輸出光作為再泵浦光。再泵浦光被分為兩路,一路用于雙能級探測,另一路被耦合到冷卻光中。整體光路設(shè)計如圖4所示。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3589140