冷镱原子光钟的关键技术研究

论文摘要

光钟的精度已超越了当前最好的铯原了喷泉钟,这意味着光学频率标准有可能成为下一代频率标准。光钟对物理学研究、计量科学研究和高科技研究均有极大的推动力,光钟的关键技术在全球定位系统（GPS）、高速通信和深空探测等研究领域具有重要的应用价值。本论文主要是对冷镱原子光钟的一些关键技术进行实验上的研究。首先介绍了一种用于镱原子空心阴极灯中的调制转移光谱技术,用来实现用于镱原子光钟一级冷却的399纳米激光器的频率锁定。另外,对调制转移光谱及信号进行了全面的优化,并结合原子束装置中的无多普勒技术,精确测量了镱原子399纳米跃迁谱的同位素频移和超精细结构分裂。后期,通过对两维准直光路、磁光阱光路的优化以及塞曼减速光的合理设计,最终在399纳米磁光阱中观察到冷镱原子团,用飞行时间方法测得的温度约为2毫开尔文,释放捕获法测得的原子数目约为107。其次,主要介绍了用于镱原子光钟二级冷却的556纳米激光器的频率锁定工作,这里我们采用AOM调制结合荧光探测技术；通过对MOT光路、偏振态等的优化,最终实现了556纳米磁光阱中冷原子团的装载,温度约为30微开尔文。然后,介绍了用于晶格光的759纳米激光器的频率锁定技术,通过对光晶格光路的合理设计,最终观测到了光晶格的装载信号；同时对一维光晶格构成的势阱深度进行了相关理论计算；最后,介绍了Pound-Drever-Hall技术用于实现钟态跃迁578纳米激光器的频率锁定,以及光纤的相应噪声抑制技术,最终希望在759纳米光晶格中观测到镱原子的钟态跃迁光谱。此外,对174Yb光晶格钟钟态跃迁的系统频移进行了全面分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 激光冷却与囚禁技术
• 1.1.1 多普勒冷却和反冲冷却机制
• 1.1.2 光学黏团和磁光阱
• 1.1.3 激光冷却与囚禁技术的应用
• 1.2 原子频标和原子钟
• 1.2.1 原子频率标准
• 1.2.2 光学频率标准
• 1.2.3 原子钟的发展史
• 1.2.4 精密守时的应用
• 1.3 本课题主要工作
• 第二章 镱原子光钟冷原子真空装置
• 2.1 镱（Ytterbium）
• 2.1.1 基本属性
• 2.1.2 能级分布
• 2.1.3 镱原子的优点
• 2.2 冷镱原子真空装置
• 2.2.1 高温炉
• 2.2.2 两维准直
• 2.2.3 塞曼减速
• 2.2.4 磁光阱
• 2.3 本章小结
• 第三章 镱原子的一级冷却
• 3.1 一级冷却
• 3.2 冷却光路和冷却激光的稳频
• 3.3 主要元器件的描述
• 3.3.1 电光调制器
• 3.3.2 空心阴极灯
• 3.3.3 低噪声前置放大器
• 3.3.4 声光调制器
• 3.4 镱原子调制转移光谱及信号优化
• 3.4.1 调制转移光谱
• 3.4.2 调制转移光谱信号的优化
• 1S₀-¹P₁跃迁同位素频移的测量'>3.5 镱原子¹S₀-¹P₁跃迁同位素频移的测量
• 3.5.1 报道过的实验方法
• 3.5.2 我们的实验方法
• 3.5.3 实验装置
• 3.5.4 实验结果
• 3.5.5 超精细结构常数的计算
• 3.6 399 MOT
• 3.6.1 399 MOT主光路
• 3.6.2 399 MOT光斑
• 3.6.3 399 MOT的装载和衰减
• 3.7 冷原子温度的测量方法
• 3.7.1 释放再捕获法
• 3.7.2 吸收法
• 3.7.3 飞行时间法
• 3.8 冷却的实验结果及分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 镱原子的二级冷却
• 4.1 556 MOT的制备方法
• 4.2 二级冷却激光的稳频
• 1S₀～³P₁跃迁荧光谱频移的测量'>4.3 镱原子¹S₀～³P₁跃迁荧光谱频移的测量
• 4.4 556 MOT
• 4.5 556 MOT温度的测量
• 4.6 本章小结
• 第五章 冷镱原子光晶格
• 5.1 光晶格中的多普勒和反冲效应分析
• 5.2 光晶格的构造
• 5.3 应用于镱原子光钟的光晶格
• 5.3.1 一维光晶格
• 5.3.2 三维光晶格
• 5.3.3 光晶格的最佳激光波长
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 钛宝石激光器的稳频
• 5.4.2 三维光晶格
• 5.5 本章小结
• 第六章 钟态跃迁谱的探测
• 6.1 578nm激光的产生及锁定
• 6.1.1 578nm激光系统
• 6.1.2 578nm激光的稳频
• 6.1.3 光纤相位噪声抑制技术
• 6.2 578nm钟激光的光路
• 6.3 钟态跃迁信号的探测方法
• 6.4 钟态跃迁系统频移的研究
• 6.4.1 晶格光引起的光位移
• 6.4.2 与磁诱导光谱（MIS）有关的系统频移
• 6.4.3 578nm钟激光引起的光位移
• 6.4.4 二阶多普勒频移
• 6.4.5 碰撞频移
• 6.4.6 其它频移
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 论文展望
• 参考文献
• 博士期间的研究成果
• 致谢