锶原子光钟闭环控制系统的设计与实现

为了实现^(87)Sr原子光钟的闭环运行,根据将超稳激光频率锁定在钟跃迁超精细能级自旋极化谱双峰中间的锁频原理,设计和实现了锶原子光钟闭环控制系统。首先,详细分析了^(87)Sr原子光钟闭环运行的具体需求,包括冷原子制备及钟跃迁探测、闭环锁定等阶段中所需要的控制信号及其时序;然后,根据该需求设计了时序控制和频率控制的物理系统;最后,利用LabVIEW虚拟仪器开发平台和NI硬件系统设计了^(87)Sr原子光钟的闭环运行的自动化控制程序。实验结果显示,采样时间为3 000 s的光钟频率稳定度为5.7×10^(-17),拟合得到的环内稳定度为5×10^(-15)/τ^(1/2),表明该控制系统的精度符合锶原子光钟的闭环运行要求。

空间锶原子光钟磁场分析及主动补偿系统

空间锶原子光钟在轨运行过程中会感受到幅度约为80μT的地磁场变化,通过引入同等大小的外磁场变化,实验观测了变化地磁场对空间光钟冷原子由磁光阱装载到光晶格的影响。理论分析了地磁场变化对钟跃迁探测的影响,并对磁场稳定性需求进行了分析。通过电动旋转台和永磁体模拟空间环境变化的磁场,利用三维磁通门进行实时探测,设计了主动补偿系统并对外界磁场进行实时补偿,使空间光钟磁光阱中心区域磁场波动在亚μT量级,满足了空间光钟对磁场的补偿与控制需求。

光梳主动滤波放大实现锶原子光钟二级冷却光源

提出一种结合注入锁定技术的主动滤波放大方法,将光梳直接注入锁定至光栅外腔半导体激光器,产生窄线宽激光光源,该光源可以用于锶原子光钟二级冷却.实验中,将中心波长为689 nm,带宽为10 nm的光梳种子光源注入689 nm光栅式外腔半导体激光器,通过半导体增益光谱与半导体光栅外腔,从飞秒光梳的多个纵模梳齿中挑选出一个纵模模式来进行增益放大,再通过模式竞争,实现单纵模连续光输出;同时,光梳的重复频率锁定在线宽为赫兹量级的698 nm超稳激光光源上,因此,注入锁定后输出的窄线宽激光也继承了超稳激光光源的光谱特性.利用得到的输出功率为12 mW的689 nm窄线宽激光光源实现了88Sr原子光钟的二级冷却过程,最终获得温度为3μK,原子数约为5×10~6的冷原子团.该方法可拓展至原子光钟其他光源的获得,从而实现原子光钟的集成化和小型化.

锶原子光钟钟跃迁谱线探测中的程序控制

为了实现中国科学院国家授时中心研制的锶原子光晶格钟钟跃迁的自动化探测,设计了完整的自动控制系统。该系统主要由延迟精度与同步精度在μs量级的时序控制系统和满足要求的激光频率扫描系统组成。两个控制系统均通过LabVIEW软件编程及虚拟仪器控制光场和磁场。完成了锶原子的两级冷却和光晶格囚禁,最终得到了高信噪比载波线宽为180Hz的锶原子1S0-3P0钟跃迁谱线。谱线展现了高信噪比和窄线宽的特点,表明整个锶原子光钟系统的运行较为稳健,整个控制系统满足实验对于控制精度的需求,实现了锶原子光钟系统的自动化操作与控制。该控制系统具有一定普适性,也可拓展至需要对光场及磁场进行控制的其他系统中。

锶原子光钟磁光阱磁场及其控制电路设计

由于锶原子光钟两级冷却对磁光阱磁场有不同的要求,为减少磁场转换时原子的逃逸,需在短时间内以一定的时序控制变换磁场。对反赫姆霍兹线圈设计的一般理论进行了讨论,为锶原子光钟的两级冷却设计了相应的磁场,并制作了转换磁场的发生控制装置。该装置主要包括控制电路、保护电路2部分。测量得到通过线圈的电流受控于输入信号,符合实验要求。

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.

锶原子光晶格钟碰撞频移的测量

中性原子光晶格钟的系统不确定度评估中,碰撞频移引起的频移修正量和不确定度是其中重要的一项,且其评估结果将直接影响交流斯塔克频移的评估.碰撞频移来源于囚禁在同一个格点里面原子间的相互作用,其大小与原子的密度有关.本文实验测量了国家授时中心87Sr光晶格钟的碰撞频移.利用水平方向的一维光晶格囚禁数目在10^4量级、温度为3.4μK的冷原子,用极化光将原子抽运到基态mF=±9/2的塞曼子能级上,获得了钟跃迁自旋极化谱.通过高低原子密度自比对的方法测量了87Sr光晶格钟系统中与原子密度相关的碰撞频移.在原子密度差为4×10^10/cm^3的条件下对系统的碰撞频移进行了37次独立测量,得到系统的碰撞频移为–0.13 Hz,统计不确定度为3.1×10^–17.自比对的艾伦偏差在8000 s时达到了4×10^–17,表明系统的测量精度在10^–17量级是可靠的,为锶原子光晶格钟系统不确定度全面评估奠定了基础.

锶原子光晶格钟黑体辐射频移评估

在中性原子光晶格钟的系统不确定度评估中,通常黑体辐射引起的频移是最大的一项.黑体辐射频移主要受周围环境温度的影响.针对国家授时中心的锶原子光晶格钟实验系统,通过理论分析、腔体表面温度的测量和软件模拟相结合的方法,评估了锶原子光晶格钟黑体辐射频移的修正量和不确定度.其中主要分析了锶原子炉、蓝宝石加热窗口、透过窗口片进入到真空腔体内的室温以及Zeeman减速装置对原子团处的热辐射引起的黑体辐射频移.在真空腔体外表面设置了5个测温点,利用校准过的铂电阻温度传感器监测真空腔体外表面的温度变化,用SolidWorks绘图软件建立腔体模型,通过有限元分析软件模拟出在真空腔体温度变化0.72 K时,原子团所处位置温度的波动为0.34 K.最终得到黑体辐射频移总的修正量为-2.13(1) Hz,不确定度为2.4×10^(-17).

10^(-16)量级698 nm超稳激光

为了实现高稳定度的锶原子光钟,设计了基于30 cm腔超稳激光系统。系统性评估并抑制了系统中存在的主要噪声,将参考腔的振动不敏感度降低到6×10^(-10)/g,对应的频率不稳定度小于3.6×10^(-16);使用真空室内控温的方法,将控温层的温度变化减小到0.4 mK以内,腔上温度起伏在1 Hz处相比实验室环境温度降低了5个数量级;功率抖动经抑制达到了1 pW,对应的频率不稳定度为2.4×10^(-19)@1 s;剩余幅度噪声、光纤相位噪声经抑制后均小于3×10^(-16),完全满足达到10^(-16)量级超稳激光的条件。与10 cm腔超稳激光系统进行拍频比对,综合拍频结果和噪声分析显示,系统锁定后激光频率不稳定度的秒稳小于6.2×10^(-16)。

698nm窄线宽激光器研究进展

窄线宽激光器在铯原子喷泉钟、光钟以及时间频率传递等方面有着重要的作用。主要介绍中国科学院国家授时中心开展的工作波长为698 nm窄线宽激光器的研究进展。实验中采用两级稳频方法将激光锁到初稳腔和高稳腔。通过第一级稳频,激光线宽为1.1 kHz;目前已初步实现了第二级稳频。通过逐渐优化第二级稳频,可以实现Hz量级线宽激光。

锶原子光晶格钟塞曼减速器的设计与实现

介绍了一种以电脑程序模拟计算线圈分布的方法,以精确匹配作为锶原子光晶格钟中作为冷却装置的塞曼减速器的理论塞曼磁场。说明了优化设计程序的算法结构及基本流程,并对实验中的实际塞曼磁场和锶原子光晶格钟磁光阱信号进行测量。这种设计方法完全基于电脑程序的模拟运算,可以根据实际情况改变物理参数和磁场模型,并迅速有效地计算出与之匹配的线圈分布。计算磁场相对于理论磁场的均方根(RMS)达到2.17×10^(-4)T,实现了较高的磁场匹配度。

锶原子互组跃迁荧光谱及其特性的研究

真空锁频系统是实现激光稳频的重要组成部分,在该系统中产生高分辨互组跃迁荧光谱((5s2)1S0→(5s5p)3P1)是分析原子谱线相关特性及精确测量跃迁频率等参数的前提。本文通过将装载有毛细管的准直器置于锶炉内,从源头减小原子束的发散角,将原子束的发散角减小至3.1 mrad。即减小原子束的横向速度,进而减弱光与原子作用的一阶多普勒频移,实验最终得到分辨率较高且线宽为26 MHz的互组跃迁荧光谱。锶原子互组跃迁荧光谱特性的相关研究对于光晶格原子钟锁频系统的建立具有重要意义,因此本文从实验上探讨并分析了锶炉温度和激光光强等因素对互组跃迁荧光谱的影响。

锶光钟小型化Zeeman减速器的研制

本文聚焦于小体积、低能耗和高减速效率的Zeeman减速器的研制,首先在12组通电线圈磁场的基础上制作了环状永磁体,但是测得永磁体在MOT腔中心位置剩余磁场仍有27Gauss,严重影响锶原子的一级冷却与俘获。针对这一问题我们研制了长度为10cm的小型线圈减速器,同时为减少线圈发热进一步提出对称磁场理论。用小型减速器装配物理系统后,我们对锶原子束的速度分布曲线进行探测与分析,可知锶原子束的最概然速度由460m/s减小至75m/s,减速后的原子在磁光阱中被进一步冷却,实现了锶原子的一级冷却与俘获,通过荧光收集法测出俘获原子数目为2×10^6,在加入679nm和707nm反抽运光后,俘获原子数目提升了约7倍。