利用传输腔技术实现镱原子光钟光晶格场的频率稳定

为了获得高稳定度和高精确度的原子光晶格钟,光晶格场的频率必须得到锁定,线宽必须控制到特定水平用来消除交流斯塔克频移.本文提出利用传输腔技术来实现对镱原子光钟的光晶格场的频率锁定和抑制频率长期漂移的锁定方案.首先,将一个殷钢材料的传输腔锁定在基于调制转移谱技术锁定的780 nm激光场上,再将759 nm的光晶格光场锁定在传输腔上.实验结果表明,光晶格光场的线宽可以锁定和控制在1 MHz以下.光晶格光场与锁定于氢钟的光梳拍频结果显示,光晶格光场的长期频率稳定度优于3.6×10~(-10),可以确保实现镱原子光钟的不确定度进入10~(-17).     

光晶格原子钟研究进展

钟跃迁频率在光学频段的光晶格原子钟已经实现了10-19 量级的频率稳定度和10-18 量级的频率不确定度, 在量子频标、 量子模拟和精密测量等领域有着重要的应用. 本文综述了光晶格原子钟的发展历史、 工作原理、 性能评估和应用与展望.     

锶原子光晶格钟

进入21世纪以来,锶原子光晶格钟经历了快速的发展,系统频移的不确定度指标已经超越现有的秒定义基准铯原子喷泉钟,进入到10~(-18)量级,体现了人类精密测量能力的最高水平,是精密测量物理的热点研究内容.本综述简要介绍了锶原子光晶格钟的发展水平;详细介绍了锶原子光晶格钟的各个组成部分和关键技术、如何进行精密光谱探测和闭环锁定以及各项系统频移的不确定度评估方法和锶原子跃迁绝对频率测量的方法等;最后简要介绍了锶光钟的应用和未来发展趋势.     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

光晶格原子钟及其在基础物理学中的应用

光晶格原子钟已经实现了10^-18量级的系统不确定度和10^-19量级的频率稳定度,是下一代“秒”定义的候选装置之一。凭借优异的系统性能,光晶格原子钟逐渐在基础物理研究领域发挥重要作用。文章综述了光晶格原子钟的研究背景、工作原理、关键实验技术及其在基础物理研究等方面的应用。     

Experiments on trapping ytterbium atoms in optical lattices

Experiments on trapping ytterbium atoms in various optical lattices are presented. After the two-stage cooling, first in a blue magneto-optical trap and then in a green magneto-optical trap, the ultracold 171 Yb atoms are successfully loaded into one-, two-, and three-dimensional optical lattices operating at the Stark-free wavelength, respectively. The temperature, number, and lifetime of cold 171 Yb atoms in one-dimensional lattice are measured. After optimization, the one-dimensional lattice with cold 171Yb atoms is used for developing an ytterbium optical clock.     

Clock-transition spectrum of ^171yb atoms in a one-dimensional optical lattice

An optical atomic clock with 171Yb atoms is devised and tested. By using a two-stage Doppler cooling technique, the 171Yb atoms are cooled down to a temperature of 6 ± 3 μK, which is close to the Doppler limit. Then, the cold 171Yb atoms are loaded into a one-dimensional optical lattice with a wavelength of 759 nm in the Lamb-Dicke regime. Furthermore, these cold 171Yb atoms are excited from the ground-state 1S0 to the excited-state 3P0 by a clock laser with a wavelength of 578 nm. Finally, the 1S0-3P0 clock-transition spectrum of these 171Yb atoms is obtained by measuring the dependence of the population of the ground-state 1S0 upon the clock-laser detuning.     

中性汞原子磁光阱装载率的优化

量子投影噪声是影响光晶格钟的一个重要参数,提高磁光阱中装载率有利于降低量子投影噪声,可提升光晶格钟的性能.针对实验所用的汞原子单腔磁光阱,本文分析并计算了磁光阱中汞原子受力情况和一维运动规律,在此基础上用随机数方法对磁光阱中汞原子三维装载进行了数值计算,获得了磁光阱中的稳态原子数,研究了磁光阱的冷却激光的光强、失谐量以及磁场梯度等参数对稳态原子数的影响,得出了获得最优装载率的实验参数.涉及的计算方法和结论对汞原子光晶格钟的实验设计具有参考价值.     

外光注入半导体激光器实现时钟分频

从理论和实验上研究了利用光注入半导体激光器对高重复速率光脉冲产生的周期振荡和时钟分频现象.结果表明,光注入半导体激光器引起的二倍周期振荡是使注入脉冲重复频率分频的直接原因.通过耦合速率方程,数值模拟了半导体激光器在外光注入时输出光的时间序列和功率谱,并且分析了激光腔内各种周期振荡的特征.研究表明,当注入光使半导体激光器出现稳定的二倍周期振荡,且注入光的重复频率为此振荡频率的二倍时,时钟分频即可产生实验中,采用重复频率为6.32GHz的光脉冲注入Fabry-Perot激光器,实现了3.16GHz时钟分频信号关键词：周期振荡时钟分频光谱侧带光注入     

基于磁悬浮大体积交叉光学偶极阱的Dimple光阱装载研究

三维拉曼边带冷却后的铯原子样品装载于一个磁悬浮的大体积交叉光学偶极阱中, 继续加载一个小体积的光学偶极阱后, 实现了Dimple光学偶极阱对铯原子的高效装载. 对不同磁场下磁悬浮大体积光阱的有效装载势能进行理论分析与实验测量, 得出最优化的梯度磁场和均匀偏置磁场, 获得了基于磁悬浮大体积光阱的Dimple光学偶极阱的装载势能曲线, 实现了Dimple光学偶极阱对经拉曼边带冷却后俘获在磁悬浮的大体积光阱中的铯原子样品的有效装载. 比较了Dimple光学偶极阱分别从拉曼边带冷却、大体积的交叉光阱和消除反俘获势后的磁悬浮大体积光阱装载的结果, 将俘获在磁悬浮大体积光阱中的铯原子样品装载到Dimple光学偶极阱, 铯原子样品的密度提高了约15倍.     

锶玻色子的“魔术”波长光晶格装载实验研究

光晶格中性原子光钟的不确定度已达到10^-18量级. 本文介绍了碱土金属锶原子玻色子⁸⁸Sr在“魔术”波长处的一维光晶格装载, 实现冷锶原子的囚禁并使锶原子的钟跃迁能级(5s²) ¹S₀-(5s5p) ³P₀在此波长处的交流斯塔克光频移一致. 实验中半导体激光器产生“魔术”光波长(813 nm), 通过实验搭建光学驻波场并获得晶格激光聚焦光束, 束腰半径为38 μm. 经过一级冷却和二级冷却后温度约为2 μK的冷锶原子被此“魔术”波长光晶格囚禁. 通过实验测量得到锶原子玻色子⁸⁸Sr光晶格寿命为270 ms, 数目约为1.2×10⁵, 温度在3.5 μK左右, 此外研究了晶格光功率对晶格囚禁原子数目及温度的影响作用. 原子的光晶格装载为后续的钟跃迁提供了长的探测时间, 为进一步的光钟闭环提供了实验基础.     

锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测

87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对~(87)Sr原子钟跃迁能级5s~2~1S_0→5s5p~3P_0中的m_F=+9/2和m_F=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9μK,原子数目为3.5×10~6.利用邻近\"魔术波长\"的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对~1S_0→~3P_0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.     

冷镱原子精密光谱的研究进展

文章简要介绍了冷原子精密光谱研究方面的重要进展,报道了作者所在课题组近年来在镱原子的激光冷却与囚禁、光晶格中冷镱原子的量子操控、冷镱原子钟跃迁谱的精密测量、冷镱原子光钟的闭环锁定和频率稳定性测量等方面所取得的最新研究结果,最后对光学原子钟的发展进行了展望。     

Laser cooling and trapping of ytterbium atoms

The experiments on the laser cooling and trapping of ytterbium atoms are reported, including the two-dimensional transversal cooling, longitudinal velocity Zeeman deceleration, and a magneto-optical trap with a broadband transition at a wavelength of 399 nm. The magnetic field distributions along the axis of a Zeeman slower were measured and in a good agreement with the calculated results. Cold ytterbium atoms were produced with a number of about 10⁷ and a temperature of a few milli-Kelvin. In addition, using a 556-nm laser, the excitations of cold ytterbium atoms at ¹S₀-³P₁ transition were observed. The ytterbium atoms will be further cooled in a 556-nm magneto-optical trap and loaded into a three-dimensional optical lattice to make an ytterbium optical clock.      

激光冷却及其在科学技术中的应用

这篇文章回顾了近20以来激光冷却原子气体的发展历史，同时概述了激光冷却的各种物理机制，还介绍了超冷原子物理在量子物理学和高科技应用中所取得的重要成就，包括气体原子的玻色-爱因斯坦凝聚、原子钟和原子干涉仪。