【摘要】：基于中性鐿原子的光晶格鐘在千秒的平均時間內(nèi)不穩(wěn)定度已經(jīng)可以進入小系數(shù)E-18的量級,并且已經(jīng)被確定為成為SI二級秒定義的候選原子光鐘體系。光晶格場的提出,對于基于中性原子的光鐘是一個里程碑性質(zhì)的貢獻,它可以有效地提高原子光鐘的信噪比同時抑制原子間的相互作用。由于光晶格原子鐘的光晶格場存在一個魔數(shù)波長,使得鐘躍遷上下能級在光晶格場中發(fā)生相同大小的移動,這個對光晶格鐘獲得更高的穩(wěn)定度和精確度至關(guān)重要,所以對光晶格場的線寬和頻率穩(wěn)定性的控制就成為一項重要的關(guān)鍵技術(shù)。圍繞這一關(guān)鍵技術(shù),我在研究生期間,設(shè)計并實現(xiàn)了一整套基于光學傳輸腔的穩(wěn)頻系統(tǒng),實現(xiàn)了對759nm光晶格場的線寬和長期頻率漂移的控制,本文總結(jié)我的主要研究工作內(nèi)容如下:1)搭建了基于85Rb D2躍遷的調(diào)制轉(zhuǎn)移譜(MTS)鎖頻系統(tǒng),得到一個波長為780nm穩(wěn)定的頻率參考源。通過兩套完全獨立的鎖定系統(tǒng)進行拍頻,實驗結(jié)果顯示,此鎖定系統(tǒng)在1s平均時間下具有小于1kHz的Allan標準差;2)制作了基于殷鋼合金的光學傳輸腔,并通過Pound-Drever-Hall方法(PDH)將誤差信號反饋到此參考腔PZT上,實現(xiàn)了參考腔對780nm的頻率參考源的鎖定;實驗結(jié)果顯示,此傳輸腔的自由光譜區(qū)是375MHz,分別對應于780nm和759nm激光的精細度為236和341;3)設(shè)計制作了多套抑制剩余幅度調(diào)制(RAM)的反饋系統(tǒng)。通過對電光調(diào)制器的溫度反饋控制,使得RAM產(chǎn)生的頻率起伏受到壓窄。實驗結(jié)果顯示,在759nm PDH環(huán)路中的RAM噪聲最差不超過2.3kHz;在0.1Hz以下,開環(huán)信號中的RAM貢獻在傳輸腔鎖定后可以得到有效的抑制;而在0.1Hz以上,傳輸腔鎖定與否對于RAM的影響不大;4)通過已鎖定的傳輸腔,實現(xiàn)了 759nm光晶格場的線寬壓窄和長期頻率漂移控制�？梢詫崿F(xiàn)至少連續(xù)10個小時的無跳模鎖定。與光梳拍頻的結(jié)果顯示,穩(wěn)頻后晶格激光在1s的平均時間下具有6kHz的Allan標準差;長期漂移所產(chǎn)生的Allan標準差最大為261kHz(200s平均時間下)。在研究生期間,我設(shè)計實現(xiàn)的傳輸腔穩(wěn)頻系統(tǒng)可以保證晶格光能以600kHz的步長進行頻率掃描,為后續(xù)的魔數(shù)波長確定和鎖定打下基礎(chǔ),鎖定后的頻率漂移特性可以確保鐿原子光晶格鐘的不穩(wěn)定度小于10-17的量級。
[Abstract]:The instability of optical lattice clock based on neutral ytterbium atom has reached the order of small coefficient E-18 in the average time of kilosecond, and has been identified as a candidate atomic clock system defined by SI second-order second. The optical lattice field is a landmark contribution to the optical clock based on neutral atom. It can effectively improve the SNR of the atomic clock and suppress the interaction between atoms. Due to the existence of a magic wavelength in the optical lattice field of the optical lattice atomic clock, the upper and lower energy levels of the clock transition move in the same size in the optical lattice field, which is crucial to the higher stability and accuracy of the optical lattice clock. Therefore, the control of the linewidth and frequency stability of the optical lattice field has become an important key technology. Focusing on this key technology, I designed and implemented a set of frequency stabilization systems based on optical transmission cavities during my graduate study, and realized the control of the linewidth and long-term frequency drift of the 759nm optical lattice field. The main work of this paper is summarized as follows: 1) A modulation transfer spectrum (MTS) frequency locking system based on 85Rb D2 transition is built, and a frequency reference source with stable wavelength of 780nm is obtained. Through two totally independent locking systems, the experimental results show that the locking system has a Allan standard deviation of less than 1kHz in the average time of 1 s. (2) the optical transmission cavity based on Yin steel alloy has been fabricated. The error signal is fed back to the reference cavity PZT by the Pound-Drever-Hall method (PDH), and the frequency reference source of the 780nm is locked by the reference cavity. The experimental results show that, The free spectral region of the transmission cavity is 375MHz and the fineness of the 780nm and 759nm laser are 236 and 341m3 respectively. Several sets of feedback systems are designed and fabricated to suppress the residual amplitude modulation (RAM). By controlling the temperature feedback of the electro-optic modulator, the frequency fluctuation produced by RAM is reduced. The experimental results show that the RAM noise in the 759nm PDH loop is the worst less than 2.3 kHz, under 0.1Hz, the RAM contribution in the open loop signal can be effectively suppressed after the transmission cavity is locked, but above 0.1Hz, Whether the transmission cavity is locked or not has little effect on the RAM. 4) through the locked transmission cavity, the narrow linewidth of the 759nm optical lattice field and the long-term frequency drift control are realized. Can achieve at least 10 consecutive hours of mode-free locking. The results show that the lattice laser has the Allan standard deviation of 6kHz at the average time of 1 s, and the maximum standard deviation of Allan caused by long-term drift is 261kHz (under the average time of 200s). During the post-graduate period, the transmission cavity frequency stabilization system I designed and implemented can ensure that the lattice light energy can be scanned with the step size of 600kHz, which will lay the foundation for the subsequent determination and locking of the magic number wavelength. The frequency drift characteristics after locking can ensure that the instability of Yb atomic optical lattice clock is less than 10-17.
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O562.3

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本文編號：2247332