本文關(guān)鍵詞：應(yīng)用于鍶光鐘的激光技術(shù)及光譜探測(cè)研究

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【摘要】：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得一些領(lǐng)域,如基本物理常數(shù)的精密測(cè)量、全球衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)、天文觀測(cè)等,對(duì)時(shí)間頻率的精度有了更高需求。鍶原子光晶格鐘是一種前瞻性的基準(zhǔn)原子鐘,是目前穩(wěn)定度和不確定度最高的原子鐘,其頻率穩(wěn)定度和不確定度都已經(jīng)達(dá)到了10-18量級(jí),很有可能成為新一代秒定義的時(shí)頻基準(zhǔn)原子鐘。本文以中國科學(xué)院國家授時(shí)中心的鍶原子光鐘系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)鍶原子光晶格鐘的激光技術(shù)和光譜探測(cè)方面做了研究。主要工作包括以下幾個(gè)部分:1.689nm窄線寬激光的研制。通過Pound-Drever-Hall(PDH)方法將外腔半導(dǎo)體激光頻率鎖定在ULE光學(xué)超穩(wěn)腔上,研制了兩套689nm窄線寬激光器,拍頻得到的激光線寬約為230Hz,并且采用以氫鐘為頻率參考的光頻梳測(cè)量得到其頻率的線性漂移率為0.16Hz/s。在此基礎(chǔ)上,采用光學(xué)注入鎖定的辦法對(duì)激光的功率進(jìn)行放大,并對(duì)激光的頻譜展寬和時(shí)序控制做了設(shè)計(jì),滿足了鍶原子窄線寬冷卻的需求。2.鍶原子天然同位素組間躍遷頻率的精密測(cè)量。首先,利用689nm窄線寬激光器獲得了熱原子束中鍶原子天然同位素所有組間躍遷線的飽和熒光譜,由于該躍遷線熒光極其微弱使得低豐度值同位素譜線探測(cè)難度大,特別是豐度值只有0.56%的84Sr尚屬首次報(bào)道的飽和熒光譜。然后,利用光纖飛秒光梳對(duì)飽和熒光譜的蘭姆凹陷中心頻率進(jìn)行了精密測(cè)量。最后,經(jīng)過評(píng)估測(cè)量中的主要系統(tǒng)誤差,對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了修正,給出了測(cè)量結(jié)果的不確定值,并得到了測(cè)量的最終結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)與國際上其它研究小組的結(jié)果一致,并填補(bǔ)了84Sr組間躍遷頻率測(cè)量的空白。3.飛秒光梳單個(gè)模式的選擇和放大。光頻梳不僅可以用于光學(xué)頻率的精密測(cè)量和光學(xué)原子鐘,該儀器也是寬頻段光學(xué)頻率合成器的基礎(chǔ),能產(chǎn)生其光譜覆蓋范圍內(nèi)任意頻率的光源,并能使這些光源具備與頻率參考源相當(dāng)?shù)南喔尚�。但�?光頻梳的輸出光場(chǎng)中包含數(shù)目龐大的縱模,且單個(gè)縱模的功率極其微弱(一般小于1μW),使得連續(xù)激光與光梳的拍頻信號(hào)信噪比較低,對(duì)光學(xué)頻率測(cè)量和相干性傳遞都會(huì)帶來困難。針對(duì)該問題,本文通過級(jí)聯(lián)光學(xué)注入兩個(gè)外腔半導(dǎo)體激光器對(duì)光梳的模式進(jìn)行主動(dòng)濾波和放大,得到了功率達(dá)10m W,邊模抑制比約為37d B的689nm窄線寬激光光源。4.88Sr冷原子的制備與Lamb-Dicke區(qū)1S0-3P0譜線探測(cè)。利用窄線寬激光對(duì)88Sr原子進(jìn)行了窄線寬激光冷卻,得到了溫度小于1μK的鍶原子磁光阱,并成功裝載到了一維光晶格中。最后,利用線寬為Hz量級(jí)的超窄線寬激光探測(cè)到了磁場(chǎng)誘導(dǎo)下的88Sr Lamb-Dicke區(qū)鐘躍遷譜線,并測(cè)量了鐘躍遷的拉比振蕩曲線,以測(cè)試系統(tǒng)的相干性。
【關(guān)鍵詞】：光頻標(biāo) 鍶原子光鐘 窄線寬激光 光頻梳 光學(xué)注入鎖定 光梳模式選擇與放大 窄線寬冷卻 鐘躍遷
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(國家授時(shí)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH714.14
【目錄】：

• 致謝3-5
• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 緒論14-24
• 1.1 高精度時(shí)間頻率基準(zhǔn)的現(xiàn)實(shí)意義14-17
• 1.1.1 基本物理常數(shù)的測(cè)量14-15
• 1.1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航15
• 1.1.3 甚長基線干涉測(cè)量15-16
• 1.1.4 引力波探測(cè)16-17
• 1.2 光鐘概述17-22
• 1.2.1 光鐘基本構(gòu)成及其穩(wěn)定度17-19
• 1.2.2 系統(tǒng)誤差及不確定度19-21
• 1.2.3 光鐘的發(fā)展21-22
• 1.3 本文的選題意義及結(jié)構(gòu)安排22-24
• 2 689nm窄線寬激光24-38
• 2.1 光場(chǎng)噪聲及其表示方法25-28
• 2.1.1 幅度調(diào)制與相位調(diào)制25-26
• 2.1.2 光場(chǎng)噪聲的表示方法26-28
• 2.2 PDH穩(wěn)頻基本原理及其技術(shù)噪聲28-30
• 2.3 系統(tǒng)的構(gòu)建和結(jié)果測(cè)量30-37
• 2.3.1 FP腔30-33
• 2.3.2 光路33-35
• 2.3.3 電學(xué)系統(tǒng)35-36
• 2.3.4 結(jié)果測(cè)量36-37
• 2.4 本章小結(jié)37-38
• 3 鍶原子天然同位素的組間躍遷頻率測(cè)量38-56
• 3.1 光纖飛秒光梳40-46
• 3.1.1 光梳的光譜結(jié)構(gòu)及光頻測(cè)量原理40-41
• 3.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)41-44
• 3.1.3 飛秒光梳的相位鎖定44-46
• 3.2 鍶原子組間躍遷的頻率測(cè)量46-51
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置46-49
• 3.2.2 熒光譜49-51
• 3.2.3 頻率測(cè)量51
• 3.3 系統(tǒng)誤差及其修正51-54
• 3.3.1 剩余一階多普勒頻移52
• 3.3.2 二階多普勒頻移和反沖頻移52-53
• 3.3.3 其它系統(tǒng)誤差53-54
• 3.3.4 最終結(jié)果54
• 3.4 本章小結(jié)54-56
• 4 光梳的模式選擇與放大56-69
• 4.1 實(shí)驗(yàn)裝置57-60
• 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果60-63
• 4.2.1 光譜的演化60-61
• 4.2.2 譜純度與注入鎖定范圍測(cè)量61-63
• 4.3 分析與結(jié)論63-68
• 4.3.1 外腔半導(dǎo)體激光器的參數(shù)與模式的選擇63-64
• 4.3.2 非線性效應(yīng)與邊模64-68
• 4.4 本章小結(jié)68-69
• 5 ~(88)Sr冷原子的制備與Lamb-Dicke區(qū)~1S_0-~3P_0譜線探測(cè)69-90
• 5.1 鍶原子的激光冷卻與囚禁69-76
• 5.1.1 鍶原子激光冷卻的理論分析69-73
• 5.1.2 鍶原子的磁光阱裝載實(shí)驗(yàn)73-76
• 5.2 鍶冷原子的一維光晶格裝載76-78
• 5.2.1 Lamb-Dicke區(qū)的譜線線型76-77
• 5.2.2 光晶格的裝載實(shí)驗(yàn)77-78
• 5.3 ~(88)Sr鐘躍遷探測(cè)實(shí)驗(yàn)78-87
• 5.3.1 698 nm鐘激光系統(tǒng)及測(cè)試78-81
• 5.3.2 靜磁場(chǎng)81
• 5.3.3 光路搭建81-83
• 5.3.4 初步尋找鐘躍遷信號(hào)83-84
• 5.3.5 歸一化邊帶鐘躍遷譜線測(cè)量84-87
• 5.4 拉比振蕩測(cè)量87-89
• 5.5 本章小結(jié)89-90
• 6 總結(jié)與展望90-92
• 參考文獻(xiàn)92-101
• 作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果101-102

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本文編號(hào)：612386