本文關(guān)鍵詞：冷鐿原子光鐘的頻率鎖定及碰撞頻移分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：光鐘作為新一代頻標候選之一,因其超低的頻率不確定度和不穩(wěn)定性潛力,已經(jīng)超越了現(xiàn)行時間頻率標準銫噴泉鐘,有望成為下一代時間頻率標準。精確的時間頻率基準不僅可以作為高精度守時與授時基準,同時也將推動精密導(dǎo)航、測地學(xué)、基礎(chǔ)物理等甚至更深層次領(lǐng)域科學(xué)研究的發(fā)展。光鐘主要分為兩類,一類是將單離子囚禁在四極阱中的離子光鐘,其頻率不確定度可達10-18數(shù)量級；但是因為每次探測過程中,只有一個離子,需要長時間積分才能達到較低量級的不穩(wěn)定性。另一類是中性原子光鐘,在光晶格中同時囚禁大量原子；大量原子同時探測,提高了探測信號的信噪比,因此中性原子光鐘的不穩(wěn)定性要低于離子光鐘幾個量級。受益于光晶格技術(shù),這些原子被囚禁在Lamb-Dicke區(qū)域,并且被分配到不同的晶格格點中,不僅抑制了多普勒頻移和反沖頻移,同時大大降低了原子間的碰撞頻移。目前國際上正在熱門研制的是鐿原子光鐘和鍶原子光鐘,其中鍶原子光鐘的頻率不確定度和不穩(wěn)定性均可達到10-18數(shù)量級；鐿原子光鐘的不穩(wěn)定性也已經(jīng)達到10-18數(shù)量級,而其不確定度仍在10-16數(shù)量級,有待于進一步提高。華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室近年來一直致力于兩套冷鐿原子光晶格鐘Yb-1和Yb-2的研制。在我們近些年來的實驗中,分別得到了較好的兩級冷卻結(jié)果,成功的將冷原子裝載到光晶格中,并且在Yb-2中實現(xiàn)了鐘躍遷譜線的精密測量,這些在我們早期的論文中均有介紹。在此基礎(chǔ)上,我的主要工作是對Yb-1進行改進,通過對實驗參數(shù)的優(yōu)化,得到溫度為6μK的冷原子,并且在Yb-1中也得到了線寬較窄的鐘躍遷譜線；基于Labview編程軟件,編寫了頻率鎖定程序,分別成功應(yīng)用于Yb-1和Yb-2的頻率鎖定,并且可以實現(xiàn)Yb-1和Yb-2的時序同步與數(shù)據(jù)同步傳遞；理論上對由非均勻激發(fā)引入的碰撞頻移及其不確定度進行了分析。本文工作首先著重于對Yb-1真空系統(tǒng)的改進,相對于之前由兩個離子泵維持真空的基礎(chǔ)上增加了一個鈦升華泵。真空度的提升,可以減少背景原子與冷原子之間的碰撞,抑制單體碰撞效應(yīng),增加磁光阱的壽命,得到更多的冷原子。并且我們對二級冷卻進行了細致的優(yōu)化,實驗上測量并分析冷原子溫度、原子數(shù)和原子密度分別隨二級冷卻光的失諧量、光強和磁光阱的磁場梯度之間的變化關(guān)系。根據(jù)實驗結(jié)果,選擇最佳的實驗條件,可以得到接近其多普勒極限的冷原子溫度,并將冷原子裝載到光晶格中進行鐘躍遷譜線的探測。在兩套光鐘中,分別得到了得到了線寬為56 Hz和6 Hz的鐘躍遷譜線。在對光鐘進行系統(tǒng)頻移分析時,碰撞頻移是系統(tǒng)不確定度進一步降低的主要局限之一。由于泡利不相容原理,全同費米子不可能占據(jù)同一狀態(tài),不存在碰撞頻移。鑒于這一優(yōu)勢,費米子光鐘曾廣泛受到各研究小組的青睞。但是近幾年的研究表明,費米子光鐘中也存在碰撞頻移,其產(chǎn)生原因是在鐘躍遷譜線探測過程中,鐘激光和晶格光的不完全重合而導(dǎo)致的非均勻激發(fā)引起的。對于鍶原子由非均勻激發(fā)引起碰撞頻移,通過改變原子間的相互作用能來增大虛擬自旋單重態(tài)和三重態(tài)之間的能量差的方法,可以將碰撞頻移限制在10-17數(shù)量級。鐿原子與鍶原子不同,鐿原子二級冷卻的多普勒極限溫度為4.5 μK,而典型的實驗冷卻結(jié)果為幾十μK；鍶原子二級冷卻的多普勒極限溫度為0.4μK,其典型的實驗冷卻結(jié)果為幾個μK,相比鐿原子小一個數(shù)量級,因此其非均勻激發(fā)引起的碰撞頻移要比鐿原子小�；诖�,本文對171Yb原子由非均勻激發(fā)引入的碰撞頻移及其不確定度進行了詳細的理論分析,得出在不同冷原子溫度、原子數(shù)和光晶格阱深條件下的碰撞頻移關(guān)系。根據(jù)我們理論分析結(jié)果,碰撞頻移的不確定度在10-19數(shù)量級。在此基礎(chǔ)上,對兩套獨立運行的冷鐿原子光晶格鐘Yb-1和Yb-2分別實現(xiàn)了單峰頻率鎖定,將本地鐘激光鎖定在冷原子躍遷譜線上。本地鐘激光的短期穩(wěn)定性好,但是冷原子的長期穩(wěn)定性優(yōu)于鐘激光系統(tǒng),因此將鐘激光頻率鎖定在原子躍遷譜線上,可以實現(xiàn)整個光鐘系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。并得到以艾倫偏差表征的穩(wěn)定性：Yb-1為1.47×10-13(?)τ,長期穩(wěn)定性7.35×10-15@400s；Yb-2為4.54×10-15(?)τ,長期穩(wěn)定性1×10-16@1000s；。利用型號DS 345的信號發(fā)生器校正兩套光鐘的6259系列數(shù)據(jù)采集板卡的采樣時鐘,可以實現(xiàn)兩套光鐘同步運行與比對,這有利于消除共模噪聲；同步運行以及數(shù)據(jù)同步傳遞,可以實現(xiàn)兩套光鐘系統(tǒng)的拍頻和頻率比對測量。最后本文還簡單的對兩套鐿原子光鐘系統(tǒng)的頻移和不確定度進行估算,為后期全面評估兩套光鐘系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：鐿原子 激光冷卻與囚禁 光晶格 光頻標 碰撞頻移 非均勻激發(fā) 頻率鎖定
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O431.2
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-13
• 目錄13-17
• 插圖和附表17-22
• 第一章 緒論22-36
• 1.1 研究背景及意義22-25
• 1.2 鐿原子光鐘國內(nèi)外現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)25-67
• 1.3 碰撞頻移67-30
• 1.4 鐿原子光鐘的運行機制30-34
• 1.4.1 冷鐿原子系統(tǒng)30-32
• 1.4.2 超窄線寬578nm鐘激光32-33
• 1.4.3 探測與反饋系統(tǒng)33-34
• 1.5 本論文的內(nèi)容安排34-36
• 第二章 鐿原子光鐘系統(tǒng)優(yōu)化及鐘躍遷譜線探測36-62
• 2.1 真空改進36-39
• 2.2 一級冷卻399nm MOT39-41
• 2.3 二級冷卻556nm MOT41-52
• 2.3.1 二級冷卻與冷卻光失諧量關(guān)系42-46
• 2.3.2 二級冷卻與光強之間關(guān)系46-48
• 2.3.3 二級冷卻與MOT磁場梯度關(guān)系48-51
• 2.3.4 二級冷卻結(jié)果51-52
• 2.4 光晶格52
• 2.5 鐘躍遷譜線探測52-61
• 2.6 本章小結(jié)61-62
• 第三章 光鐘碰撞頻移分析62-84
• 3.1 碰撞產(chǎn)生機理62-63
• 3.2 光晶格鐘碰撞頻移63-65
• 3.3 激發(fā)非均勻度65-67
• 3.4 碰撞頻移67-73
• 3.4.1 碰撞頻移與冷原子溫度的關(guān)系69
• 3.4.2 碰撞頻移與原子數(shù)的關(guān)系69-70
• 3.4.3 碰撞頻移與晶格阱深的關(guān)系70-71
• 3.4.4 不同橫縱溫度條件下碰撞頻移71-73
• 3.5 光締合73-74
• 3.6 勢阱光對光締合能級產(chǎn)生的斯塔克頻移74-82
• 3.6.1 ~1S_0-~1P_1動態(tài)極化率74-78
• 3.6.2 ~1S_0-~3P_1動態(tài)極化率78-81
• 3.6.3 勢阱光產(chǎn)生的斯塔克頻移81-82
• 3.7 本章小結(jié)82-84
• 第四章 鐿原子光鐘的頻率鎖定84-101
• 4.1 頻率鎖定方案84-88
• 4.1.1 單峰頻率鎖定84-86
• 4.1.2 雙峰頻率鎖定86-88
• 4.2 頻率鎖定數(shù)據(jù)反饋及計算方法88-90
• 4.3 鎖頻Labview程序設(shè)計90-91
• 4.4 鎖頻結(jié)果91-95
• 4.4.1 Yb-1頻率鎖定91-93
• 4.4.2 Yb-2頻率鎖定93-95
• 4.5 同步與比對程序95-100
• 4.5.1 TTL時序同步95-98
• 4.5.2 頻率比對Labview程序98-100
• 4.6 本章小結(jié)100-101
• 第五章 鐿原子光鐘頻移分析101-113
• 5.1 碰撞頻移101-103
• 5.2 塞曼頻移103-104
• 5.3 光頻移104-108
• 5.3.1 晶格光頻移104-106
• 5.3.2 超極化率106-108
• 5.4 黑體輻射頻移108-110
• 5.4.1 室溫黑體輻射109
• 5.4.2 高溫爐黑體輻射109-110
• 5.5 其他頻移110-112
• 5.5.1 引力紅移110
• 5.5.2 二階多普勒頻移110-111
• 5.5.3 伺服誤差111-112
• 5.6 本章小結(jié)112-113
• 第六章 總結(jié)與展望113-117
• 6.1 博士期間工作總結(jié)及創(chuàng)新點113-115
• 6.2 進一步工作展望115-117
• 參考文獻117-138
• 博士期間研究成果138-139
• 致謝139-140

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 周敏;黃良玉;徐信業(yè);;Development of a frequency-stabilized 555.8-nm laser[J];Chinese Optics Letters;2013年12期

2 王文麗;葉捷;蔣海靈;畢志毅;馬龍生;徐信業(yè);;Frequency stabilization of a 399-nm laser by modulation transfer spectroscopy in an ytterbium hollow cathode lamp[J];Chinese Physics B;2011年01期

3 周敏;徐信業(yè);;Theoretical study on isotope separation of an ytterbium atomic beam by laser deflection[J];Chinese Physics B;2014年01期

  本文關(guān)鍵詞：冷鐿原子光鐘的頻率鎖定及碰撞頻移分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：430189