锶光晶格钟中黑体辐射频移问题的实验方案

在锶原子光晶格钟中,黑体辐射频移对系统的频率不确定度影响最为显著。本文从两个方面提出改善这一问题的方案:一方面利用DC Stark效应精确测量原子的静态极化率差;另一方面,将钙光钟与锶光钟的钟跃迁频率进行综合考量,构建出一个不含有黑体辐射频移的参考频率作为频率标准,锶光钟系统的相对不确定度可望控制在2.97×10-17以内。

利用模清洁器实现锶光钟的光晶格光源强度噪声的抑制

利用模清洁器过滤高频噪声的特性,对锶原子光钟的光晶格光源—813nm半导体激光器的强度噪声进行抑制。首先对模清洁器腰斑和激光器腰斑之间的匹配透镜参数进行理论计算,通过模式匹配,得到模清洁器的反射信号和透射信号。然后利用pound-drever-hall(PDH)边带稳频技术将模清洁器锁定于激光频率上,由模清洁器透射出的激光强度噪声被抑制。利用一对平衡零拍探测器对经过模清洁器前后的激光器强度噪声进行测量。结果表明,未经过模清洁器的激光强度噪声在分析频率30MHz内无法达到散粒噪声极限,经过模清洁器后,激光强度噪声在约8MHz达到散粒噪声极限。通过强度噪声抑制,可使813nm半导体激光器用于锶冷原子光晶格装载实验,并且减小了光晶格噪声对势阱囚禁冷原子的影响,有利于下一步的钟跃迁谱探测实验。

基于二维磁光阱的增强型^(199)Hg冷原子团制备

在精密测量领域中,高效地制备冷原子团具有重要的意义.在光晶格钟里,缩短冷原子团的制备时间可以降低Dick噪声,从而提高光晶格钟的稳定性.本文采用二维磁光阱加推送光的构型提高了三维磁光阱在超高真空环境中的装载率,并通过压缩磁光阱技术降低了原子团温度,实现了用于^(199)Hg光晶格钟的增强型冷原子团制备.实验上通过优化三维和二维磁光阱的失谐量和磁场梯度以及推送光的失谐量和功率等参数,将三维磁光阱的^(199)Hg冷原子装载率增强了51倍,提升至3.1×10^(5)s^(–1),然后使用压缩磁光阱技术将^(199)Hg冷原子团的温度降低至45μK,低于多普勒冷却理论温度.这种基于二维磁光阱的增强型冷原子团制备可在超真空环境下实现对三维磁光阱装载率的高增益,有效地缩短了冷原子团的制备时间,同时也降低了原子团的温度,有利于提高光晶格的转移效率,为其他冷原子实验中冷汞原子团制备提供了有效方案.

磁场对冷镱原子光钟稳定度影响的仿真分析

在光晶格钟运行时,不停起伏的杂散磁场会引入一阶塞曼频移和二阶塞曼频移,从而影响光晶格钟的频率不稳定度。此外,突变的磁场可能导致激光频率参考到钟跃迁频率的伺服闭环过程发生不可恢复的失锁,从而阻碍光钟的持续运行。在实验中,光钟进行频率闭环锁定前,通常通过控制三维线圈对光钟主腔中心原子处的杂散磁场进行补偿。首先使用三维磁强计,对真空主腔附近的磁场进行监测和记录,以分析杂散磁场对光钟性能的影响。然后利用正态分布模型和二项分布模型等,对光钟频率伺服锁定过程的阿伦偏差进行仿真拟合。在引入实际磁场监测数据的基础上,模拟光钟频率的伺服锁定过程,分析其仿真结果可以得出:减小杂散磁场起伏和控制磁场漂移,在提高冷镱原子光钟的短期稳定性和长期稳定性方面,具有重要意义。

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.

氢钟测量死时间导致的光频测量统计不确定度分析

利用87Sr光晶格钟与氢钟的频率比对测量了氢钟的频率稳定度。在89%的光晶格钟有效运行率下,经过约10 d的测量得出氢钟的频率稳定度,并由此推导出氢钟噪声模型的相关参数。根据氢钟噪声模型生成的随机噪声序列,对由测量死时间导致的频差进行了100次模拟,并以模拟结果的1倍标准差为测量不确定度。不同有效运行率下,氢钟测量不确定度的计算结果表明,由氢钟测量死时间导致的不确定度随有效运行率的增加而减小,且在有效运行率小于10%时,增加总的测量时间可以显著减小测量不确定。

基于原位成像技术的同步频率比对与密度频移测量

精密测量囚禁在光晶格里面中性原子间相互作用导致的密度频移在研究多体相互作用和实现高性能光晶格钟等方面有着重要应用.本文利用基于原位成像的同步频率比对技术对光晶格钟的密度频移系数进行了准确的测量.光晶格里面的原子被一束钟激光同时激发,并通过原位成像技术同时且独立地探测光晶格里11个不相关区域的钟跃迁概率.由于不相关区域里的原子被同时激发,即共模抑制了钟激光的噪声,因此它们间的频率比对稳定度超越了Dick噪声的限制,并与原子探测噪声极限相符合.得益于光晶格里非均匀的原子数分布和可以忽略的外场梯度,不相关区域间的频率比对结果即为密度频移.通过测量密度频移和格点平均原子数差的关系,获得密度频移系数为-0.101(3)Hz/(atom·site),经过103 s的测量时间,系统平均密度频移的相对测量不确定度达到了1.5×10^(-17).