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).

镱原子光钟基于FPGA控制系统的数据处理

高精度光钟被认为是广义相对论验证,相对论测地学以及暗物质探测的重要工具.镱原子光钟是目前国际上稳定度最好的光钟,通过36 h的平均可以进入10^(-19)的量级.控制系统是镱原子光钟的重要组成部分,它主要负责光钟系统的时序控制.本文提出一种基于Python语言支持的现场可编程门阵列(FPGA)控制系统,通过编译和调用Python程序包在FPGA上运行,用来产生光钟运行过程所需的各种控制信号,以及对镱原子光钟工作过程中获取的数据进行存储和后期处理.研究结果表明:基于FPGA控制系统的数据处理可以完全匹配传统Matlab和Origin软件的数据处理方法,获取μK量级冷原子的温度和Hz量级的钟跃迁谱线宽;另外,对复杂钟跃迁谱线实现高斯基函数的多峰拟合,通过与早期实验过程中噪声分析建立的数据库进行比对,用来作为光钟运行的过程分析和故障诊断,有助于未来将机器学习引入高精度原子光钟的数据处理用来实现引力波以及暗物质的探测.

用于镱原子光钟759nm光晶格激光的频率锁定

本文报道了一种用于镱原子光钟的759nm光晶格激光频率锁定方法。759nm激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)技术锁定在一个腔长为10cm的超低膨胀系数(ULE)的高细度Fabry-Perot(FP)腔上。激光频率被锁定后的测量结果表明,759nm的光晶格激光线宽被压窄到小于200kHz;运用频率锁定的759nm激光和飞秒光梳拍频来监测超稳腔的长期漂移率,结果显示ULE超稳腔的漂移率为0.16Hz/s。将锁定后的759nm光晶格激光用于镱原子光钟光晶格的装载,实现了镱原子在光晶格场中的稳定装载以及对光晶格场频率的精确控制,从而为镱原子光钟的闭环运转做了必要的技术准备。

镱原子光晶格钟二阶Zeeman频移的测量

背景磁场的精确标定对于原子钟的闭环运转以及不确定度评估有着重要的影响。在中性原子光晶格钟的不确定度的评估中,背景磁场引入的二阶Zeeman频移是重要的贡献项之一。本文提出利用自比对的方法,测量不同背景磁场条件下镱原子钟跃迁~1S_(0)→~3P_(0)两个π跃迁谱线对应的Zeeman分裂频率间距差值,得到Zeeman分裂频率间距差与相应背景磁场线圈电流的对应关系,最终标定出最小Zeeman分裂间距差在三个维度上对应的补偿磁场线圈驱动电流值。在此基础上,分别调节偏置磁场处于高低磁场强度条件下,测量了剩余背景磁场对钟跃迁频率产生的二阶Zeeman频移。结果显示二阶塞曼频移系数-0.0655(3) Hz/G~2,对应的二阶Zeeman频移不确定度5.7×10^(-17)。这项工作的开展为镱原子光晶格钟不确定度总体评估奠定了基础。

四通道超稳腔的振动分析及热分析

镱原子光钟是当前稳定度最好的光钟,其稳定度已经进入10^(-19)的量级。依托于高精度的镱原子光钟,可以开展广义相对论的检验以及测地学等领域的科学和应用研究。镱原子光钟研制过程中需要用到多种频率的光,所以针对这些激光的频率控制是镱原子光钟研制的一项关键技术问题。本文针对钟激光以外其他四种激光的频率控制要求,以一个四通道超稳光学腔设计作为其频率锁定方案。利用有限元分析方法,得到了超稳光学腔处于最佳支撑位置处的振动敏感度和温度敏感度。分析结果表明:在最佳支撑位置处,光学腔超稳在竖直方向上的振动敏感度为4.0×10^(-9)/g,热时间常数为53 h。对周期为24 h的典型实验环境温度293.15±1 K的条件下,计算获得的温度敏感度为1.3×10^(-4)。该四通道超稳光学腔能够同时满足镱原子光钟系统中除钟激光外其他激光的频率稳定度要求。这种简化的四通道超稳腔稳频设计方案,为今后镱原子光钟的小型化、集成化设计提供一种新技术尝试。