隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對時間的認(rèn)識不斷加深,狹義相對論更將時間的概念提到新的維度,同時對時間精度的要求越來越高。從恒星日到石英晶振,再到銫原子微波鐘,人類對于秒定義的相對不確定度已經(jīng)達(dá)到10-16,足以觀測到相對論效應(yīng),并廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)物理和現(xiàn)代工業(yè)。此外,秒定義的精度是所有物理單位最高的。得益于時間頻率的轉(zhuǎn)換t=1/f,科學(xué)家通過對頻率的高精度測量轉(zhuǎn)換為對時間的高精度測量,同時頻率測量特有的高精度也可以衍生到電流、電壓、長度的標(biāo)定,從而提高其他基本單位的精度。另一方面,科學(xué)家早已不滿足于頻率標(biāo)準(zhǔn)10-16的相對不確定度,開始研究更高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn),成功實現(xiàn)了多種元素的原子、離子光鐘,目前已有10-19量級的光鐘問世,為下一代秒定義打下基礎(chǔ)。課題組在此背景下,基于鋁離子光鐘對黑體輻射不敏感的天然優(yōu)越性,開展了基于量子邏輯技術(shù)的鎂-鋁離子光頻標(biāo)系統(tǒng)研究。實現(xiàn)了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù),完成超高真空度（10-8 Pa）的真空系統(tǒng)、熒光采集系統(tǒng)、光路系統(tǒng)搭建,采用雙光子離化的方式成功離化鎂原子,同時囚禁鎂單離子。本人博士課題是在此實驗基礎(chǔ)上,進行鎂-鋁離子光頻標(biāo)鐘躍遷探測工作,主要包括以下三個方面:... 

【文章來源】：華中科技大學(xué)湖北省211工程院校985工程院校教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：149 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

頻率標(biāo)準(zhǔn)的精度提高歷程

華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文4的頻率標(biāo)準(zhǔn)[4]。1.2.1微波頻率標(biāo)準(zhǔn)由于激光是二十世紀(jì)下半葉的產(chǎn)物，十九世紀(jì)末，人們更容易制造的是微波頻段的信號源。同時由于原子光譜的發(fā)現(xiàn)，并且這些譜線幾乎不受原子所處環(huán)境影響，科學(xué)家于是利用原子共振吸收電磁波的特性，將電磁波的頻率鎖定到原子的某一根躍遷線上，就可以建立起一套所謂的微觀尺度上的頻率參考。二十世紀(jì)四十年代人們開始嘗試發(fā)展這樣的頻率標(biāo)準(zhǔn)，簡稱原子頻標(biāo)。起初的參考躍遷頻率位于微波頻率段，所以通常又把這樣的原子頻標(biāo)稱為微波頻標(biāo)。1955年英國國家物理實驗室(NPL)實現(xiàn)了第一臺磁選態(tài)Cs原子束鐘[5]，隨后各國計量單位相繼建立了各自的Cs原子束頻標(biāo)，都是利用Cs原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)之間頻率約為9.2GHz的躍遷作為參考頻率。圖1-2為早期銫束鐘工作原理圖。由于原子頻標(biāo)本身的優(yōu)越性，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定度迅速進入1011~1012水平上，已經(jīng)遠(yuǎn)好于當(dāng)時其它的頻率標(biāo)準(zhǔn)，于是1967年國際計量大會將SI單位制中的秒定義為Cs133原子基態(tài)超精細(xì)能級間躍遷輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間[6]。圖1-2早期磁選態(tài)銫束鐘原理[7]，銫原子從左往右飛行至探測器，期間通過磁場選態(tài)后與微波進行作用。此后人們還相繼發(fā)展了光抽運的Cs原子束鐘、Cs噴泉鐘、光抽運的Rb泡室鐘和主動式氫鐘等等使用不同原子或者技術(shù)的微波頻標(biāo)，并且部分微波鐘已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)在的時間標(biāo)準(zhǔn)則是采用Cs噴泉鐘的測量結(jié)果，達(dá)到1016精度[3,8]。

華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文8下面將介紹當(dāng)前世界上不確定度或穩(wěn)定度實現(xiàn)1018量級甚至更低的光頻標(biāo)系統(tǒng)研究進展。1.4超高精度光鐘簡介1.4.1Sr87原子光晶格鐘最早在2003年，東京大學(xué)的Katori和Takamoto提出可以利用光學(xué)駐波場（即光晶格）囚禁中性原子，實現(xiàn)長時間的鐘躍遷探測，這即是光晶格鐘[56]。目前PTB、NPL、SYTRE、JILA、NMIJ、東京大學(xué)都已經(jīng)發(fā)展了各自的Sr光晶格鐘，其中JILA通過兩套Sr光晶格鐘比對已經(jīng)將他們的系統(tǒng)相對不確定度評估至6.4×1018[57]，是目前系統(tǒng)不確定度最低的Sr原子光頻標(biāo)系統(tǒng)。圖1-3Sr原子能級結(jié)構(gòu)[58]，多普勒冷卻光波長為461nm，二級多普勒冷卻光波長為698nm，鐘躍遷線波長為698nm。圖1-3為Sr87原子的能級結(jié)構(gòu)，其中多普勒冷卻躍遷線對應(yīng)波長461nm，波長λ=689nm為二級多普勒冷卻，進一步將原子團冷卻到更低的1μK溫度，這樣引起的二階多普勒頻移很低，低于1019量級水平，之后探測鐘躍遷線波長λ=698nm，其自然線寬為8mHz。JILA于2005年前后開始發(fā)展Sr原子光晶格鐘。首先，通過克服原子間相互作用產(chǎn)

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]基于量子邏輯技術(shù)的鎂-鋁離子光頻標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 徐澤天.華中科技大學(xué) 2019



本文編號：3619788