冷原子光栅磁光阱的研制及CPT信号的探询

相干布居囚禁原子钟在小型化方面具备不可替代的优势。由于热原子气室内部高压缓冲气体的限制,导致其频率稳定度仍有进一步提升的空间。利用激光冷却原子技术作为替代,可以有效提升其中长期性能。然而,目前的冷原子物理系统仍然相对复杂,不利于原子钟整体系统的集成化和小型化。我们研制了高衍射效率光栅芯片、平面磁阱芯片以及微小型真空腔室,共同构建基于平面核心器件的磁光阱,利用单光束捕获冷原子2×106个。此外,为了简化CPT冷原子钟的激光系统,通过单激光结合时分复用系统的方式,仅用单一Rb D2线激光实现了原子冷却与CPT探询。以上的工作为将来实现微小型化高性能冷原子CPT钟的最终锁定和性能评估奠定了重要理论和技术基础。

基于贝叶斯优化的磁光阱多参数自主优化系统

磁光阱是一种冷却陷俘原子的装置,磁光阱实验参数的优化是冷原子实验中基础且重要的工作,人工手动优化参数需耗费大量时间,且很难确保最终参数是全局最优的。基于贝叶斯优化的机器学习方法是一种对目标表达式未知、非凸、多峰的量子物理系统进行参数优化的有效方案,该过程通常远快于人工手动调节,且有更大概率找到全局最优值。提出了一种基于贝叶斯优化方法的冷原子多参数自主实时优化实验方案,该方案通过成本函数构造、控制程序编写、贝叶斯算法优化等形成一个可自主优化的闭环系统。实验结果表明,经过约30 min的迭代优化,所提方案可有效完成磁光阱系统的多参数优化,并得到最优的实验结果;所提方案验证了贝叶斯优化方法在多参数物理系统中应用的可行性,通过改进成本函数,还可应用于其他的复杂多参数实验物理系统最优参数快速确定。

High-performance coherent population trapping clock based on laser-cooled atoms

We present a coherent population trapping clock system based on laser-cooled^(87)Rb atoms.The clock consists of a frequency-stabilized CPT interrogation laser and a cooling laser as well as a compact magneto-optical trap,a highperformance microwave synthesizer,and a signal detection system.The resonance signal in the continuous wave regime exhibits an absorption contrast of~50%.In the Ramsey interrogation method,the linewidth of the central fringe is31.25 Hz.The system achieves fractional frequency stability of 2.4×10^(-11)/(√τ),which goes down to 1.8×10^(-13)at 20000 s.The results validate that cold atom interrogation can improve the long-term frequency stability of coherent population trapping clocks and holds the potential for developing compact/miniature cold atoms clocks.

应用于相干布居囚禁原子钟的低相位噪声微波频率综合器

相干布居囚禁(CPT)原子钟作为微波原子钟的一种类型,由于不需要微波谐振腔即可实现微波探询,可极大降低体积和功耗,从而实现芯片级、低功耗的原子钟。CPT原子钟性能指标的主要限制因素之一是微波综合器的相位噪声,为了提升CPT原子钟的性能,研制了一种应用于CPT原子钟的低相位噪声频率综合器。实验结果表明,频率综合器在200 Hz处的绝对相位噪声为108 dBc/Hz。微波综合器由于Dick效应对原子钟频率稳定度的限制为8.2×10^(-14),可以完全满足CPT原子钟的性能指标要求。此频率综合器也可更广泛地用于其它高性能微波原子精密测量系统以及计量标准器。

“多参量高稳定度计量标准器的研制”项目获“国家质量基础的共性技术研究与应用”重点专项支持

2018年7月,由中国计量科学研究院牵头,联合其他多个高校、科研院所、省市计量研究院申报的“多参量高稳定度计量标准器的研制”项目(编号:2018YFF0212400)获得“国家质量基础的共性技术研究与应用”重点专项的支持。高新技术产业的快速发展对计量提出了新的迫切需求,先进制造、航空航天、医疗、能源、电力等行业亟待解决极大、极小等超常规量值以及动态、现场、多参数的测量问题。

基于衍射光学器件的芯片尺度激光冷却原子研究

冷原子系统为量子精密测量过程提供了一种接近于静止的测量介质,从而避免了热原子工作介质中存在的频移和展宽,使得测量结果更加精确。但是目前量子精密测量系统中原子冷却部分体积庞大、结构复杂,不利于实现可分发量子计量标准系统的小型化。为了解决现有磁光阱系统复杂的问题,采取衍射光栅芯片与原子冷却俘获相结合的方案,通过线性光栅对单束入射光波进行相位调制,成功实现芯片尺度下原子的冷却。微小型化磁光阱核心芯片的制备,搭建了光学结构简单的磁光阱系统,为未来进一步实现磁光阱整体系统微小型化奠定了坚实基础。

基于原子拉比共振的自由空间微波磁场探测研究

基于拉比共振的微波磁场测量技术,实现了在充入缓冲气体的铯原子气室和表面镀抗驰豫涂层的铷原子气室中测量微波磁场。我们开发了一套针对表面镀抗弛豫涂层的铷原子气室的实验装置,成功探测到铯原子和铷原子与相位调制的微波磁场相互作用时的拉比共振信号谱线。实验中对入射光强度和原子气室加热温度等参数进行了详细的研究和表征。得到了拉比共振信号幅值和线宽的最优值,实验结果与理论值相符合。