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冷镱原子光钟的关键技术研究

作　者: 王文丽
导　师: 徐信业
学　校: 华东师范大学
专　业: 光学
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
分类号: O431.2
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-13
第一章 绪论  13-23
  1.1 激光冷却与囚禁技术  14-16
    1.1.1 多普勒冷却和反冲冷却机制  15
    1.1.2 光学黏团和磁光阱  15-16
    1.1.3 激光冷却与囚禁技术的应用  16
  1.2 原子频标和原子钟  16-20
    1.2.1 原子频率标准  17-18
    1.2.2 光学频率标准  18
    1.2.3 原子钟的发展史  18-20
    1.2.4 精密守时的应用  20
  1.3 本课题主要工作  20-23
第二章 镱原子光钟冷原子真空装置  23-40
  2.1 镱(Ytterbium)  24-27
    2.1.1 基本属性  24-25
    2.1.2 能级分布  25-27
    2.1.3 镱原子的优点  27
  2.2 冷镱原子真空装置  27-39
    2.2.1 高温炉  28-29
    2.2.2 两维准直  29-32
    2.2.3 塞曼减速  32-35
    2.2.4 磁光阱  35-39
  2.3 本章小结  39-40
第三章 镱原子的一级冷却  40-89
  3.1 一级冷却  40-41
  3.2 冷却光路和冷却激光的稳频  41-48
  3.3 主要元器件的描述  48-55
    3.3.1 电光调制器  48-50
    3.3.2 空心阴极灯  50-51
    3.3.3 低噪声前置放大器  51-52
    3.3.4 声光调制器  52-55
  3.4 镱原子调制转移光谱及信号优化  55-62
    3.4.1 调制转移光谱  55-57
    3.4.2 调制转移光谱信号的优化  57-62
  3.5 镱原子~1S_0-~1P_1跃迁同位素频移的测量  62-75
    3.5.1 报道过的实验方法  63-64
    3.5.2 我们的实验方法  64
    3.5.3 实验装置  64-65
    3.5.4 实验结果  65-72
    3.5.5 超精细结构常数的计算  72-75
  3.6 399 MOT  75-81
    3.6.1 399 MOT主光路  75-77
    3.6.2 399 MOT光斑  77-78
    3.6.3 399 MOT的装载和衰减  78-81
  3.7 冷原子温度的测量方法  81-84
    3.7.1 释放再捕获法  81-83
    3.7.2 吸收法  83-84
    3.7.3 飞行时间法  84
  3.8 冷却的实验结果及分析  84-88
  3.9 本章小结  88-89
第四章 镱原子的二级冷却  89-115
  4.1 556 MOT的制备方法  89-90
  4.2 二级冷却激光的稳频  90-98
  4.3 镱原子~1S_0～~3P_1跃迁荧光谱频移的测量  98-99
  4.4 556 MOT  99-110
  4.5 556 MOT温度的测量  110-114
  4.6 本章小结  114-115
第五章 冷镱原子光晶格  115-130
  5.1 光晶格中的多普勒和反冲效应分析  116-117
  5.2 光晶格的构造  117-118
  5.3 应用于镱原子光钟的光晶格  118-122
    5.3.1 一维光晶格  118-119
    5.3.2 三维光晶格  119-121
    5.3.3 光晶格的最佳激光波长  121-122
  5.4 实验结果及分析  122-129
    5.4.1 钛宝石激光器的稳频  123-124
    5.4.2 三维光晶格  124-129
  5.5 本章小结  129-130
第六章 钟态跃迁谱的探测  130-145
  6.1 578nm激光的产生及锁定  130-134
    6.1.1 578nm激光系统  130-131
    6.1.2 578nm激光的稳频  131-133
    6.1.3 光纤相位噪声抑制技术  133-134
  6.2 578nm钟激光的光路  134-135
  6.3 钟态跃迁信号的探测方法  135-138
  6.4 钟态跃迁系统频移的研究  138-144
    6.4.1 晶格光引起的光位移  139-140
    6.4.2 与磁诱导光谱(MIS)有关的系统频移  140
    6.4.3 578nm钟激光引起的光位移  140-141
    6.4.4 二阶多普勒频移  141
    6.4.5 碰撞频移  141-143
    6.4.6 其它频移  143-144
  6.5 本章小结  144-145
第七章 总结与展望  145-147
  7.1 论文总结  145-146
  7.2 论文展望  146-147
参考文献  147-155
博士期间的研究成果  155-156
致谢  156

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 光本性的理论 > 量子光学
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