冷镱原子光钟的关键技术研究

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1、冷镱原子光钟的关键技术研究冷镱原子光钟的关键技术研究【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

2、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

3、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。【关键词】：激光稳频同位素频移镱原子激光冷却与囚禁光晶格【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】：O431.2【目录】：摘要6-7Abstract7-9目录9-13

4、第一章绪论13-231.1激光冷却与囚禁技术14-161.1.1多普勒冷却和反冲冷却机制151.1.2光学黏团和磁光阱15-161.1.3激光冷却与囚禁技术的应用161.2原子频标和原子钟16-201.2.1原子频率标准17-181.2.2光学频率标准181.2.3原子钟的发展史18-201.2.4精密守时的应用201.3本课题主要工作20-23第二章镱原子光钟冷原子真空装置23-402.1镱(Ytterbium)24-272.1.1基本属性24-252.1.2能级分布25-272.1.3镱原子的优点272.2冷镱原子真空装置27-3

5、92.2.1高温炉28-292.2.2两维准直29-322.2.3塞曼减速32-352.2.4磁光阱35-392.3本章小结39-40第三章镱原子的一级冷却40-893.1一级冷却40-413.2冷却光路和冷却激光的稳频41-483.3主要元器件的描述48-553.3.1电光调制器48-503.3.2空心阴极灯50-513.3.3低噪声前置放大器51-523.3.4声光调制器52-553.4镱原子调制转移光谱及信号优化55-623.4.1调制转移光谱55-573.4.2调制转移光谱信号的优化57-623.5镱原子~1S_0-~1P_1

6、跃迁同位素频移的测量62-753.5.1报道过的实验方法63-643.5.2我们的实验方法643.5.3实验装置64-653.5.4实验结果65-723.5.5超精细结构常数的计算72-753.6399MOT75-813.6.1399MOT主光路75-773.6.2399MOT光斑77-783.6.3399MOT的装载和衰减78-813.7冷原子温度的测量方法81-843.7.1释放再捕获法81-833.7.2吸收法83-843.7.3飞行时间法843.8冷却的实验结果及分析84-883.9本章小结88-89第四章镱原子的二级冷却89

7、-1154.1556MOT的制备方法89-904.2二级冷却激光的稳频90-984.3镱原子~1S_0～~3P_1跃迁荧光谱频移的测量98-994.4556MOT99-1104.5556MOT温度的测量110-1144.6本章小结114-115第五章冷镱原子光晶格115-1305.1光晶格中的多普勒和反冲效应分析116-1175.2光晶格的构造117-1185.3应用于镱原子光钟的光晶格118-1225.3.1一维光晶格118-1195.3.2三维光晶格119-1215.3.3光晶格的最佳激光波长121-1225.4实验结果及分析12

8、2-1295.4.1钛宝石激光器的稳频123-1245.4.2三维光晶格124-1295.5本章小结129-130第六章钟态跃迁谱的探测130-1456.1578nm激光的产生及锁定130-1346.1.1578nm激光